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MOVIMENTO HARMÔNICO SIMPLES

(MHS)

César Augusto

Por que estudar... Possibilita construir um modelo de movimento que pode ser

utilizado em diversas situações concretas.

Permite conhecer e prever uma grande quantidade de

movimentos oscilatórios.

Permite modelar microscopicamente o movimento de átomos e

moléculas.

Faz com que se compreenda de que maneira dispositivos tais

como sistemas massa-mola e pêndulo simples realizam

movimentos periódicos e suas diversas aplicações tecnológicas.

1. INTRODUÇÃO

É possível medir a massa de

uma pessoa utilizando-se

apenas um cronômetro?

Como medir a massa de

um astronauta?

Body Mass Measuring Device (BMMD),

o Aparelho de Medida de Massa

Corpórea (AMMC) projetado pela NASA

para monitorar a perda de massa de

seus astronautas em microgravidade.

Foto retirada do site da NASA.

(A) MOVIMENTO OSCILATÓRIO ou VIBRATÓRIOOscilações (vibrações) são fenômenos físicos muito comuns na

natureza. Os carros oscilam para cima e para baixo quando passam num

buraco, os edifícios e pontes vibram quando caminhões pesados

trafegam nas suas proximidades ou quando o vento sopra forte.

Os pistões do motor de carro ficam acoplados em um eixo comum e realizam um movimento oscilatório.

A alavanca de oscilação transforma um movimento circular num movimento oscilatório regular.

As asas de um beija-flor realizam um movimento vibratório que se repete de 80 vezes por segundo.

Um movimento é considerado oscilatório quando um

corpo realiza um movimento de vai-e-vem em torno da

sua posição central, denominada posição de equilíbrio

estável.

Ex. Oscilador massa-mola

Oposição de equilíbrio

O

O tempo necessário para o móvel percorrer

uma volta completa, chama-se período (T) do

movimento.

Ou seja, período é o intervalo de tempo

necessário que o movimento complete um

ciclo inteiro.

Num fenômeno periódico, chama-se

frequência (f) o número de vezes em que o

fenômeno se repete na unidade de tempo.

Matematicamente, pode-se mostrar que as

duas grandezas se relacionam pela expressão:

T

1f

• Relações entre as unidades de T e f:

Período (T) Frequência (f)s RPS (hertz – Hz)

min RPMh RPH

60 RPM = 1 RPS = 1 Hz

“1Hz é a frequência do movimento periódico

que executa 1 volta completa a cada 1s”.

É todo movimento retilíneo, oscilatório e periódico.

Ex. Pêndulo Simples (pequenas oscilações) & Oscilador massa-mola

a) Amplitude ( A) – deslocamento

máximo em relação à posição de

equilíbrio produzido pela oscilação.

• GRANDEZAS RELEVANTES DE UM MHS

(C) MOVIMENTO HARMÔNICO SIMPLES (MHS)

b) pulsação () – está relacionada a rapidez de oscilação

do movimento.

f2Dependência de ω:

Depende da massa

oscilante;

Não depende da

amplitude de vibração.

No S.I.:[] rad/s

c) Elongação (x) qualquer posição ocupada durante a

oscilação. No ponto de equilíbrio: x = 0;

nas extremidades: x = A (amplitudes).

X

+A

-A

0

4

T

2

T

4

T3 T

t

Graficamente:

• Pausa para testes:

1. Um motor executa 600RPM. Determine sua

frequência, em hertz, e seu período, em segundos.

2. Uma lâmina flexível está presa perpendicularmente a

um suporte, de acordo com a figura. Uma pessoa puxa

a extremidade livre da lâmina, soltando-a em seguida, e

a lâmina começa a vibrar.

a) Caso a lâmina demore 4s para

realizar 2 oscilações completas,

qual é a sua frequência em Hz e

em RPM?

b) Considerando o item anterior, qual é o período do

movimento em segundos?

c) Calcule, em rad/s, a pulsação de vibração da lâmina.

3. Um corpo está preso ao teto de uma sala por meio de

uma mola ideal, que está em equilíbrio; isto é, imóvel.

Uma pessoa puxa o corpo para baixo, deslocando-o

10cm de sua posição de equilíbrio. Sem a ação de

forças de atrito, o corpo começa oscilar, realizando 30

oscilações em 15s.

Pergunta-se:

a) Identifique a força responsável pelo movimento

oscilatório realizado pelo corpo após o puxão.

b) Calcule o período, em segundos, do movimento

descrito pelo corpo.

c) Calcule a frequência do movimento, em Hz e em

RPM, e a pulsação em rad/s.

d) Calcule a amplitude do movimento e o

comprimento da trajetória.

4. Uma partícula realiza um MHS, cujo gráfico da elongação x em

função do tempo t está representado abaixo.

Determine, em unidades SI, para esse MHS:

a) o período e a frequência do movimento;

b) a pulsação.

ESTUDO DO OSCILADOR HARMÔNICO MASSA-MOLA

2. DINÂMICA DO OSCILADOR MASSA-MOLA

�⃗��⃗�m: massa do oscilador

K: constante elástica da mola

A: amplitudes de oscilação

: força elástica restauradora

: aceleração do MHS

: pulsação

T: período do oscilador

Pela 2ª Lei de Newton:| = m| ma = -Kx

Importante: “K” e “m” são valores constantes do oscilador. Pode-se mostrar que a razão é igual a ².Assim: 𝐚=−𝛚𝟐𝐱

Desta forma:²x = = 2f =

T = 2 (período do oscilador massa-mola)

Este resultado tem inúmeras aplicações. Dentre elas, destaca-se o

dispositivo para medida de massa corpórea dos astronautas. Em

condições de microgravidade o organismo e o corpo do ser humano

sofre bastante perda de massa, e é por isso que a NASA monitora

periodicamente essa perda de massa de seus astronautas.

Foto retirada do site da NASA. Mostra uma astronauta no BMMD executando as

oscilações. O sistema astronauta + BMMD é o já conhecido sistema massa-mola

também conhecido como Oscilador Harmônico. O movimento realizado pelo

sistema é um movimento harmônico simples (MHS).

Movimento Harmônico Simples é um movimento

periódico de um corpo em torno de um ponto de

equilíbrio quando submetido a uma força

restauradora. A aceleração desse movimento é

dirigida para a posição de equilíbrio, e sua intensidade

é proporcional à distância em relação à posição de

equilíbrio.

3. DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA MECÂNICA (EM) NO OSCILADOR MASSA-MOLA

A Energia Mecânica pode ser dividida em duas

partes: A energia cinética EC, associada à velocidade “V” do

corpo massivo “m” e a energia potencial elástica Epe

associada à posição “x” da mola de constante elástica “K”.

2

²xK

2

²VmEEE PECM

A0-A

2

A.KE

0E2

PE

C

0E2

v.mE

PE

2

C

2

A.KE

0E2

PE

C

4. Pêndulo SimplesO pêndulo simples é um instrumento que consiste

num objeto que oscila em torno de um ponto fixo.

O braço executa movimentos alternados em torno

da posição central, chamada posição de equilíbrio.

O período T do pêndulo simples independe da

massa m do corpo massivo, dependendo

apenas do comprimento do fio L e da

aceleração da gravidade g. 

g

L2T

Uma das aplicações mais comuns de um pêndulo é

seu uso para regular o funcionamento de um relógio, em

virtude de seu período manter-se invariável, sob

determinadas condições. A descoberta da periodicidade do

movimento pendular foi feita por Galileu Galilei.• Pausa para teste:

Pense no que ocorrerá com o período pendular se:

a) Variarmos o comprimento (mantendo-se a gravidade constante) e;

b) Variarmos a gravidade local (mantendo-se o comprimento da corda

constante).

5. RELAÇÕES DO MCU COM MHSEnquanto uma partícula descreve um

MCU, sua projeção descreve um MHS.

• Equação da elongação (posição)

inicialfase

tAx

Assim

tPorém

AxA

x

:

)cos(

:

:

coscos

0

0

0

• Equação da velocidade

)t(AsenV

:Assim

AV:Porém

)t(senVV

0

MCU

0MCU

• Equação da aceleração

)tcos(A²a

:Assim

A²a:Porém

)t(cosaa

0

MCU

0MCU

X

+A

-A

0

4

T

2

T

4

T3 T

t

elon

gaçã

o)0()tcos(Ax 0

V

t

+A

-A

0

4

T

2

T

4

T3 Tvelo

cida

de

)0()t(AsenV 0

a

t

+²A

-²A

0

4

T

2

T

4

T3 Tacel

eraç

ão

)0()tcos(A²a 0

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