¿Qué es la disipación?

Al hablar de la instrumentación basada en QCM, uno se encuentra a menudo con los conceptos de «disipación» o «amortiguación». ¿Qué significan estos conceptos y por qué son relevantes?

Disipación, amortiguación y pérdida de energía

La ‘disipación’, o «disipación de energía», para ser más precisos, se refieren a la energía que se pierde del sistema en estudio. El QCM es un oscilador armónico y, como todos los osciladores del mundo real, está amortiguado.

Un oscilador que no es forzado a oscilar por una fuerza externa, oscilará gradualmente con una amplitud cada vez menor y, finalmente, la oscilación se extinguirá. Este amortiguamiento de la amplitud de oscilación que estamos considerando aquí proviene de las pérdidas por fricción, que puede ser una fricción interna en el propio oscilador o en el medio circundante (aire, agua, etc). La fricción hace que la energía oscilatoria se disipe en forma de calor, de ahí el nombre de Disipación.

La disipación contiene información sobre el material en estudio

En el caso del QCM, las pérdidas de energía inducidas se originarán principalmente en los materiales en contacto con la superficie del sensor oscilante. Todo material en contacto con la superficie inducirá pérdidas de energía. El fenómeno es particularmente pronunciado en presencia de líquidos a granel o en la deposición de películas blandas. Durante la oscilación, los líquidos y las películas blandas en contacto con la superficie se deformarán, lo que supone una pérdida de energía del sistema. Cuando la superficie del sensor está en contacto con el aire o el vacío, las pérdidas de energía inducidas son comparativamente pequeñas. Lo mismo ocurre con las pérdidas inducidas por la deposición de capas finas y rígidas. Las capas finas y rígidas no se deforman durante la oscilación, por lo que las pérdidas son menores que las inducidas por las capas blandas y/o gruesas. En consecuencia, una disipación alta indica que tenemos material blando o viscoso en contacto con la superficie, mientras que una disipación baja indica que el material de la superficie es rígido y sigue la oscilación.

La definición y la relación entre la disipación y el factor Q

Un parámetro importante que describe las características de un oscilador es el factor de calidad, o factor Q. Se trata de un parámetro adimensional que describe la amortiguación de la oscilación en resonancia, relacionando la cantidad de energía almacenada con la cantidad de energía perdida. La disipación, D, que es la inversa del factor Q, es la suma de todas las pérdidas de energía en el sistema por ciclo de oscilación. También puede definirse como la energía disipada por oscilación, dividida por la energía total almacenada en el sistema.

Q = 2π ⋅ (energía almacenada)/(energía perdida por ciclo) = 1/D (1)

Como puede concluirse de la Ec. 1, un factor Q alto indica que la pérdida de energía es pequeña y que la oscilación persistirá durante mucho tiempo, y viceversa, Figura 1. Cuanto mayor sea el Q, menor será la amortiguación y más tiempo persistirá la oscilación.

Figura 1. En el caso de un diapasón (izquierda), la disipación es baja, y la oscilación persistirá durante mucho tiempo. En el caso de la gelatina, la disipación de energía es mayor, y la oscilación se extinguirá más rápidamente.

Descarga la visión general para saber más sobre la disipación