Las ondas

Introducción Todos experimentamos los efectos de las ondas todos los días. –Cada sonido que escuchamos depende de las ondas. –Cada objetos que vemos, depende de las ondas. El sonido, la luz y las ondas en el agua parecen ser muy diferentes entre sí, sin embargo todos son ejemplos de ondas.

Definición Una onda es un disturbio que transfiere energía de un lugar a otro. –Las ondas pueden transferir la energía sin mover la materia a través de la cual se propaga, sin mover la misma a lo largo de toda la distancia.

Ejemplo 1 Imagina una fila de dominós. Si empujaras el primero de la fila, se formaría un disturbio que pasaría de un dominó a otro sin que ninguno de ellos abandone su posición. Sin embargo la energía pasaría de uno a otro desde el principio hasta el final. Propagación de energía Fuerza

Ejemplo 2 Piensa en una cuerda que está atada a un punto fijo en la pared. Si aplicas una fuerza hacia arriba y hacia abajo en el extremo libre de la cuerda, se formará un disturbio que se propagará a través de la cuerda hasta llegar al extremo atado en la pared. Fuerza Propagación de energía

Ejemplo 3 Imagina un envase con agua en reposo. Al aplicar una fuerza sobre la superficie, se genera un disturbio que propaga energía a través de toda la superficie hasta llegar a los extremos. Fuerza

Tipos de ondas Todos los ejemplos de ondas mencionados, son ejemplos de las llamadas ondas mecánicas. –Las ondas mecánicas, son aquellas que requieren de un medio físico para su propagación. Existen otros tipos de ondas que no requieren de medio alguno para su propagación a estas se les denomina como ondas electromagnéticas.

Clasificación de las ondas Las Ondas Ondas mecánicas Ondas mecánicas transversales Ondas mecánicas longitudinales Ondas electromagnéticas

Tipos de ondas mecánicas Existen dos tipos de ondas mecánicas: –Las ondas mecánicas transversales – provocan que las partículas del medio a través del cual se propagan, oscilen en dirección perpendicular respecto a la dirección en la que se propaga la energía. Este es el caso de la onda en la cuerda. –Según la energía se propaga en forma horizontal, cada segmento de la cuerda oscila en forma vertical alrededor de un punto de equilibrio. Propagación de energía Equilibrio

Tipos de ondas mecánicas Existen dos tipos de ondas mecánicas: –Las ondas mecánicas longitudinales – provocan que las partículas del medio a través del cual se propagan, oscilen en dirección paralela respecto a la dirección en la que se propaga la energía. Este es el caso de la onda en los dominó. –Según la energía se propaga en forma horizontal, cada dominó se desplaza en forma horizontal. Propagación de energía

Propiedades cuantitativas de las ondas Las ondas cuentan con propiedades cuantitativas que nos ayudan a describir la misma. Entre las propiedades medibles de las ondas están: –la amplitud –el largo de onda –el periodo –la frecuencia –la rapidez de propagación

La amplitud La amplitud (A) se refiere a la distancia máxima que las partículas del medio de propagación se desplazan durante la oscilación a partir del punto de equilibrio. –La amplitud se mide en unidades de longitud. –Indica la cantidad de energía trasportada por la onda. A mayor amplitud, mayor energía. Equilibrio Amplitud

Crestas y Valles A los picos altos de la onda se les denomina crestas. A los picos bajos de la onda se les denomina valles. Así que una onda es una colección de crestas y valles consecutivos en forma alternada. Crestas Valles

El largo de onda El largo de onda (L) se refiere a la distancia entre dos crestas o entre dos valles consecutivos. –El largo de onda se expresa en unidades de longitud. –Un largo de onda se denomina como un ciclo. Largo de onda

Los ciclos 1 ciclo 2 ciclos 4 ciclos

El periodo El periodo (T) de una onda se refiere a cuanto tiempo le toma a la onda en completar un largo de onda o ciclo. –Ejemplo: Una onda que completa 4 ciclos en un segundo, tendrá un periodo igual a 0.25 segundos. (1 dividido entre 4). –Ejemplo: Una onda que completa 2 ciclos en un segundo, tendrá un periodo igual a 0.50 segundos. (1 dividido entre 2).

La frecuencia La frecuencia (f) se refiere a la cantidad de largos de ondas que pasan por determinado lugar en un segundo. –La frecuencia se mide en Hertz (Hz). –La frecuencia es el inverso del periodo.

La frecuencia Ejemplo: Determina la frecuencia de una onda con periodo igual a 0.25 segundos. Dado: T = 0.25 s Desconocido: frecuencia Fórmula: f = 1/T Solución:

La rapidez La rapidez (V) se refiere al tiempo que le toma a una cresta en ir de un lugar a otro. –La rapidez se mide en unidades de m/s. Ambas ecuaciones son validas para determinar la rapidez de la onda.

La rapidez Ejemplo: Las ondas en un cuerpo de agua tienen una longitud de 16 metros y una frecuencia de 0.31 Hz. Determina la rapidez de propagación. Datos: Conocido: L = 16 m f = 0.31 Hz Desconocido:V = ? Ecuación: V = L · f Solución:

El comportamiento de las ondas En ocasiones durante su propagación, las ondas encuentran obstáculos en su camino o cuando pasan de un medio a otro. No importa el tipo de onda el comportamiento es el mismo. A continuación discutiremos algunos de ejemplos.

Comportamiento ante un obstáculo Imagina que atas una cuerda de un extremo a un punto fijo y que sujetas el otro extremo con tus manos. Si generas un pulso a través de la cuerda, el extremo atado al punto fijo no podrá oscilar para propagar la energía. Así que dos cosas ocurren: Parte de la energía rebota en el punto fijo y regresa al punto de salida. Parte de la energía es absorvida por el punto fijo haciendolo vibrar. El pulso que se genera se le llama pulso incidente. Al pulso que regresa se le llama pulso reflejado.

Características del pulso reflejado El pulso reflejado tiene ciertas características en comparación con el pulso incidente. –El pulso reflejado es invertido en relación al pulso incidente. –La rapidez del pulso reflejado es igual a la rapidez del pulso incidente. –El largo de onda del pulso reflejado es igual al largo de onda del pulso incidente. –La amplitud del pulso reflejado es menor a la amplitud del pulso incidente.

¿Por qué un pulso invertido? Al pulso llegar al punto fijo, tratará de mover el punto en cierta dirección (si es una cresta, tratará de mover el punto hacia arriba y si es un valle tratará de mover el punto hacia abajo) a su vez el punto reaccionara haciendo lo contrario. Generando así que el pulso se invierta. Pulso incidente Pulso reflejado Pulso incidente Pulso reflejado Una cresta reflejará un valle.Un valle reflejará una cresta.

¿Por qué la misma rapidez? El pulso reflejado tiene la misma rapidez que el pulso incidente debido a que ambos pulsos se propagan a través del mismo medio. Recordemos que las propiedades del medio determinan la rapidez de propagación. V = 0.5 m/s

¿Por qué el mismo largo de onda? Como el medio de propagación es el mismo, entonces cada partícula del medio oscilará con la misma frecuencia. Debido a que la rapidez de propagación permanece constante y esta es el producto de la frecuencia y el largo de onda; si la frecuencia es constante entonces el largo de onda tambien lo es. Si la rapidez y la frecuencia permanecen constantes, entonces el largo de onda tambien permanece constante.

¿Por qué la diferencia en la amplitud? Como habiamos mencionado antes, la amplitud está asociada a la energía que propaga la onda. En términos generales, a mayor amplitud mayor energía. Al pulso llegar al punto fijo parte de la energía es absorvida por el material así que la energía que regresa es menor. Por lo tanto la amplitud del pulso reflejado es menor.

Sabias que… En el caso del sonido cuando este se refleja, a la onda reflejada la llamamos eco. – Cuando vamos a una cueva y gritamos, el sonido llega hasta el final de la cueva y choca contra las paredes de la cueva. Entonces el sonido se refleja y regresa hasta nosotros. En el caso de la luz, esta se refleja al incidir sobre ciertas superficies. Las características de la superficie determinarán las características del reflejo.

Comportamiento al cambiar de un medio a otro Imagina que dos cuerdas estan atadas entre sí en un extremo. Una de las cuerdas en mas fina que la otra, por lo que su densidad es menor. Al generar un pulso en las cuerdas ente esta condiciones la onda se comporta en forma peculiar.

Transición de un medio menos denso a uno más denso Al generar el pulso del lado menos denso, este comenzará a viajar a través del medio hasta llegar al límite de transición entre ambos medios. Menor densidadMayor densidad

Transición de un medio menos denso a uno más denso Cuando el pulso llega al punto de transición entre los dos medios, parte de la energía del pulso incidente se reflejará pero la otra parte de la enegía continuará propagandose a través del material más denso. A este pulso lo llamaremos pulso transmitido.

Transición de un medio menos denso a uno más denso Los pulsos resultantes tendrán ciertas características: –El pulso reflejado será invertido, mientras que el pulso transmitido no lo será. –El pulso transmitido tendrá una rapidez menor al pulso reflejado; el cual tendrá una rapidez igual al pulso incidente. –El pulso transmitido tendrá un largo de onda menor al pulso reflejado; el cual tendrá largo de onda igual al pulso incidente.

Transición de un medio más denso a uno menos denso Al generar el pulso del lado más denso, este comenzará a viajar a través del medio hasta llegar al límite de transición entre ambos medios. Menor densidad Mayor densidad

Cuando el pulso llega al punto de transición entre los dos medios, parte de la energía del pulso incidente se reflejará pero la otra parte de la enegía continuará propagandose a través del material menos denso. A este pulso lo llamaremos pulso transmitido. Transición de un medio más denso a uno menos denso

Los pulsos resultantes tendrán ciertas características: –El pulso transmitido tendrá una rapidez mayor al pulso reflejado; el cual tendrá una rapidez igual al pulso incidente. –El pulso transmitido tendrá un largo de onda mayor al pulso reflejado; el cual tendrá largo de onda igual al pulso incidente. Transición de un medio más denso a uno menos denso

Efecto Doppler Cuando la fuente de sonido o el observador está en movimiento, se percibe un cambio en la frecuencia del sonido emitido por la fuente. Este cambio en frecuencia es uno aparente, ya que en realidad el sonido no ha cambiado. El hecho se debe al movimiento. –Cuando la fuente se acerca, el sonido parece ser más agudo. –Si la fuente se aleja, el sonido parece ser más grave. Este cambio aparente en frecuencia se denomina como efecto doppler.

Según la fuente de sonido, S, se mueve hacia la izquierda, el observador de la izquierda percibirá el sonido emitido por la fuente como uno de menor largo de onda a lo real, mayor frecuencia. Mientras el observador de la derecha percibirá el sonido como uno de mayor largo de onda a lo real, menor frecuencia.