Il moto armonico è il concetto di un sistema oscillante o ripetitivo come un pendolo, una molla o l’orbita di un pianeta attorno al sole. I sistemi in moto armonico conservano energia e quantità di moto finché l’energia interna rimane la stessa. In un sistema reale, cioè non ideale, la perdita di energia avviene per attrito anche in quantità infinitesimali a causa della collisione con le molecole. Affinché un sistema possa sperimentare il movimento oscillatorio devono esistere due qualità principali: elasticità e inerzia; a causa della prima legge di Newton, tutti gli oggetti hanno inerzia. Pertanto, deve esistere una fonte di elasticità, come una molla.
Un semplice sistema armonico include uno o più oggetti oscillanti fissati a una molla o un’altra sorgente elastica, come un peso attaccato a una molla. Il movimento dell’oggetto altera la velocità secondo uno schema sinusoidale. La forza elastica che fornisce il momento dell’oggetto aumenta con la distanza dal centro di movimento; più lontano è l’oggetto, maggiore è la forza elastica esercitata. Quando l’oggetto arriva alla fine del suo movimento, la forza lo fa muovere all’indietro a velocità crescente verso l’altra estremità del percorso oscillante dove il ciclo si ripete. Il movimento armonico semplice viene utilizzato per illustrare il concetto, ma non tiene conto dell’attrito.
Il movimento smorzato, al confronto, include l’attrito o altre forze esterne che rallenteranno il sistema e alla fine lo faranno raggiungere l’equilibrio, o nessun movimento. Più attrito c’è in un sistema, più velocemente un oggetto oscillante raggiungerà l’equilibrio. Il sovrasmorzamento consente solo pochi cicli di oscillazione prima dell’equilibrio; lo smorzamento critico crea un rapido ritorno all’equilibrio, come un ammortizzatore in un’auto; e il sottosmorzamento fa sì che l’oscillazione diminuisca nel tempo. Un mezzo più viscoso come l’acqua crea più attrito.
Il movimento armonico ha molte applicazioni nella vita di tutti i giorni. Qualsiasi tipo di sistema oscillante, che si tratti del pendolo di un orologio, di una molla del sistema di sospensione di un’auto o della rotazione del volano di un motore, subisce una forma di oscillazione smorzata. Ad esempio, conoscere la forza di attrito che provoca lo smorzamento consente di calcolare la forza motrice necessaria per mantenere una velocità di oscillazione costante in un sistema armonico. Ci sono anche applicazioni musicali; conoscere la lunghezza di una corda di chitarra, ad esempio, fornisce un metodo per calcolare la velocità di oscillazione quando viene data una forza motrice, e quindi la frequenza della nota suonata.