Tema 5: MOVIMIENTO ONDULATORIO

Tema 5: MOVIMIENTO ONDULATORIO
Ondas Ondas mecánicas Velocidad de las ondas mecánicas Características de las ondas armónicas Ondas armónicas Función de onda Movimiento ondulatorio Energía de una onda armónica Mecanismo de formación de las ondas sonoras Velocidad de las ondas sonoras Ondas sonoras Cualidades del sonido Contaminación acústica 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

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Ondas en Flash Ondas Proyecto Newton 2º Bach Ondas Proyecto Newton 4º ESO 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

1. Ondas Más de una vez hemos visto las ondas producidas en la superficie del agua de un estanque al dejar caer sobre ella un objeto,o las formadas en una cuerda cuando la sacudimos. Igualmente conocemos las ondas sísmicas de tan catastróficos efectos y oímos el toque de las campanas de una iglesia cercana (ondas sonoras) . ¿Qué tienen en común todas estas ondas? ¿Qué las caracteriza? Imaginemos la superficie del agua de un estanque. ►No se realiza un transporte neto de las partículas del agua (lo que bajan,lo suben) ►Hay una transmisión de la energía que la piedra comunicó a la primera partícula y de esta al resto de las partículas, que oscilan como lo hizo la primera. ►Existe un cierto retraso entre el instante en que se produce la llegada de la piedra al agua y el instante en que la perturbación producida llega a las partículas más alejadas. Vamos a fijarnos en algunas de las partículas del agua . Dejamos caer una piedra . Un movimiento ondulatorio es una forma de transmisión de energía, sin transporte neto de materia, mediante la propagación de una perturbación. A esta perturbación que se propaga a través de las partículas del medio se la denomina onda. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

1. Ondas (Cont.) Las ondas de radio, la luz, las ondas de televisión, el sonido, las ondas en una cuerda de guitarra, las ondas en la corteza de la Tierra (ondas sísmicas), las microondas, los rayos infrarrojos, … son ejemplos de movimientos ondulatorios. Todos los fenómenos anteriores, de muy diverso origen, son tratados por la Física como fenómenos de naturaleza ondulatoria. Podemos establecer una primera clasificación de las ondas: Ondas mecánicas Ondas electromagnéticas Propagación de una perturbación de tipo mecánico a través de un medio material elástico por el que se transmite la energía mecánica. El medio material, que puede ser aire, agua, una cuerda, …. , es indispensable para que exista la onda. Transmisión de energía electromagnética mediante la propagación de dos campos oscilatorios, el eléctrico y el magnético, que no requiere medio físico ya que son variaciones periódicas del estado eléctrico y magnético del espacio, que también se propagan en el vacío El sonido es una onda mecánica, que requiere la presencia del aire para propagarse. La luz es una onda electromagnética. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

1. Ondas (Cont.) Según el número de dimensiones en que tiene lugar la propagación de las ondas, podemos clasificarlas en: ●Unidimensionales, cuando se propagan en una sola dirección (línea recta) ●Bidimensionales, cuando se propagan en dos direcciones (plano) ●Tridimensionales, cuando se propagan en las tres direcciones del espacio. Una onda esférica es aquella onda tridimensional que se propaga a la misma velocidad en todas direcciones. Se llama onda esférica porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas, cuyos centros coinciden con la posición de la fuente de perturbación. Las ondas sonoras son ondas esféricas cuando se propagan a través de un medio homogéneo, como el aire o el agua en reposo. También la luz se propaga en forma de ondas esféricas en el aire, el agua, o a través del vacío. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

2. Ondas mecánicas En esta unidad dedicaremos nuestra atención a las ondas mecánicas, aunque muchos de los conceptos y propiedades de éstas son aplicables a las ondas electromagnéticas. Estas las veremos en la unidad 10, La luz Podemos clasificar las ondas mecánicas teniendo en cuenta la dirección de propagación de la onda en relación con el movimiento de las partículas del medio. Ondas transversales Ondas longitudinales Una onda es transversal si su dirección de propagación es perpendicular a la dirección de la oscilación que provoca en las partículas del medio Una onda es longitudinal si su dirección de propagación es paralela a la dirección de la oscilación que provoca en las partículas del medio El sonido es una onda longitudinal La luz es una onda transversal Ondas CNICE Ondas transversales Proyecto Newton APPLET Educaplus Ondas longitudinales Proyecto Newton 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

2.1. Velocidad de las ondas mecánicas La velocidad de propagación de una onda es el cociente de dividir la distancia que avanza la onda entre el tiempo que emplea para ello. Es la rapidez con que se desplaza la onda. La velocidad de propagación de una onda mecánica depende de las propiedades del medio. La velocidad de propagación v de las ondas transversales en una cuerda depende de la tensíon T de ésta y de su densidad lineal μ (masa m por unidad de longitud L) Las ondas transversales mecánicas sólo pueden propagarse a través de medios sólidos, donde la rigidez de éstos permite el desarrollo de fuerzas recuperadoras o en la superficie de los líquidos. La velocidad de propagación de la sondas longitudinales en sólidos depende de la constante elástica del medio y de su densidad, ya que las ondas longitudinales provocan contracciones y dilataciones en las partículas del sólido. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

2.1. Velocidad de las ondas mecánicas (Cont.) En un medio sólido, la velocidad de propagación de las ondas longitudinales es mayor que la de las ondas transversales. La velocidad de propagación de la sondas longitudinales en los fluidos (líquidos y gases) depende del módulo de compresibilidad y de la densidad del medio. La velocidad de propagación de las ondas sonoras es independiente de la fuente sonora que lo produce; sólo depende de las características del medio de propagación: En los sólidos En los líquidos En los gases γ = Coeficiente adiabático del gas E = módulo de Young Q = módulo de compresibilidad del sólido del líquido P = presión del gas d = densidad del sólido d = densidad del líquido d = densidad del gas T = temperatura absoluta del gas R = Constante de los gases M = Masa molar del gas 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Calcular la velocidad de propagación de un pulso de onda en una cuerda de 3,00 m de longitud y 135 g de masa, si de ella cuelga un cuerpo de 4,00 kg (ver figura) Actividad 1 Datos: L = 3,00 m ; m = 135 g ; mC = 4,00 kg ; g=9,8 m/s2 m = 0,135 kg La velocidad de una onda transversal ( o de un pulso) en una cuerda nos viene dada por la expresión: mC T= tensión que soporta la cuerda μ= densidad lineal de la cuerda La fuerza que el cuerpo ejerce sobre la cuerda es igual y opuesta a la que la cuerda ejerce sobre el bloque (tensión). Y esta tiene el mismo valor que el peso del cuerpo. La densidad lineal de la cuerda es el cociente entre su masa y su longitud: Ya podemos calcular la velocidad de propagación del pulso en la cuerda: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

3. Ondas armónicas De entre todos los movimientos ondulatorios, nos interesan en especial, los movimientos ondulatorios armónicos, que se caracterizan porque las partículas del medio vibran con un MAS Llamamos ondas armónicas a las que tienen su origen en las perturbaciones periódicas producidas en un medio elástico por un movimiento armónico simple 3.1. Características de las ondas armónicas Amplitud A es valor máximo de la elongación. En el S.I. se mide en m Longitud de onda λ es la distancia mínima entre dos puntos consecutivos que se hallan en el mismo estado de vibración. En el S.I. se mide en m Periodo T es el tiempo que emplea el movimiento ondulatorio en avanzar una longitud de onda o bien el tiempo que emplea un punto del medio en realizar una oscilación completa. En el S.I. se mide en s Frecuencia f es el número de ondas que pasan por un punto del medio en la unidad de tiempo. En el S.I. se mide en Hertzios (Hz) o s –1. Es la inversa del periodo: Ondas CNICE De lo anterior deducimos que la velocidad de propagación v es: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

3.2. Función de onda Propagación de la onda a la velocidad v y (m) Supongamos una onda armónica unidimensional que se propaga a lo largo del eje x con una velocidad v +A – A P El foco es el punto o centro emisor de la onda. En él se produce la perturbación que se va a propagar a los otros puntos del medio Foco x(m) x Como se trata de una onda armónica, el estado de vibración del foco nos viene dado por la ecuación del MAS: Si suponemos nula la fase inicial El punto P, alejado una distancia x del foco, también ejecutará un MAS pero con cierto retraso t’: El estado de vibración (la elongación) del punto P en el instante t será el mismo que tenía el foco en el instante t – t’: Teniendo en cuenta el valor de t’: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

3.2. Función de onda (Cont.) Propagación de la onda a la velocidad v y (m) +A – A P Ponemos ω dentro del paréntesis: x(m) Foco x Número de ondas k: representa el número de longitudes de ondas que caben en 2π metros. En el S.I. se mide en m-1 Número de ondas Podemos concluir que el estado de vibración de un punto cualquiera P del medio nos viene dado por la ecuación: Si no hubiésemos considerado nula la fase inicial Si la propagación es en el sentido negativo del eje X Esta ecuación es la ecuación del movimiento ondulatorio o función de onda, que nos permite calcular para un instante t el valor de la elongación y de cualquier punto del medio x. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

3.2. Función de onda (Cont2.) La ecuación del movimiento ondulatorio o la función de onda se puede expresar de diversas maneras: En función de ω y k En función deT y λ En función de T y λ En función de f y λ En función de f y λ 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

3.2. Función de onda (Cont3.) La ecuación del movimiento ondulatorio o la función de onda se puede expresar también en función del coseno: Elegir una forma u otra depende de las condiciones iniciales del movimiento. Como: Por último, la función de onda que describe la propagación de una onda en el sentido positivo del eje X, también se puede expresar como: encontrándonos primero el término espacial k · x y en segundo lugar el término temporal ω · t , lo que también será determinado por las condiciones iniciales del movimiento. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Tabla resumen de las magnitudes características de las ondas MAGNITUD SÍMBOLO UNIDAD S.I. RELACIONES Longitud de onda λ m Velocidad de propagación v Periodo T s Frecuencia f Hz Frecuencia angular o pulsación  Número de ondas k 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Ejercicio 13 de la página 124 Datos: λ = 20 cm = 0,20 m; f = 1750 Hz La velocidad de propagación en función de la longitud de onda y de la frecuencia f ,es: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Ejercicio 15 de la página 128 Datos: y = 0,03 ·sen ( 3,5 t – 2,2 x) en unidades S.I. a) Comparando la ecuación que nos dan, con la ecuación general obtenemos los siguientes datos : La amplitud A = 0,03 m y = A ·sen ( ω t – k x + φo ) La pulsación ω = 3,5 rad·s –1 El número de ondas k = 2,2 m –1 La fase inicial φo = 0 rad Se propaga hacia la derecha Cálculo de la longitud de onda λ Como : despejamos la longitud de onda: b) Cálculo del periodo T: Como: despejamos el periodo: c) Cálculo de la velocidad de propagación: La velocidad de propagación la podemos calcular mediante la expresión: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Cont. y = 0,03 ·sen ( 3,5 t – 2,2 x) en unidades S.I. A = 0,03 m ω = 3,5 rad·s –1 k = 2,2 m –1 También hemos podido calcular la velocidad de propagación a partir de la pulsación ω y del número de ondas k d) Cálculo de la velocidad máxima de vibración de un punto de la cuerda: Nos piden ahora la velocidad máxima de vibración de cualquier punto de la cuerda, que es distinta de la velocidad de propagación de la onda, que hemos calculado en el apartado anterior. La expresión general de la velocidad de vibración la obtenemos derivando respecto al tiempo la función de onda: 1 vy = A · ω· cos (ω t – k x + φo) Sustituyendo en ella A, ω , k y φo tendremos la ecuación de la velocidad de vibración de cualquier punto: 1 vy = 0,03 · 3,5 · cos (3,5 t – 2,2 x + 0) El valor máximo que toma la velocidad de vibración es cuando en las expresiones anteriores el coseno vale la unidad: Vy máxima = A · ω = 0,03 ·3,5 = 0,105 m/s 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Ejercicio 19 de la página 128 Datos: eje X negativo; λ = 20 cm = 0,20 m; f = 25 Hz; A = 3 cm = 0,03 m; a) La velocidad de propagación es: b) La ecuación general de la onda es: Necesitamos,por tanto, conocer la amplitud A, la pulsación ω , el número de ondas k y la fase inicial φo para obtener la ecuación que nos piden. También hemos podido utilizar estas otras fórmulas para calcular la velocidad El signo entre ω t y k x es positivo porque se propaga en el sentido negativo del eje X • La amplitud es un dato A= 0,03 m • La pulsación ω la calculamos a partir de la frecuencia: • El número de ondas k lo calculamos a partir de la longitud de onda: • La fase inicial φ0 supondremos que vale 0, ya que no nos dan datos para calcularla. Por tanto la ecuación que nos piden la obtenemos sustituyendo estos valores en la ecuación general: y (x,t)= A ·sen (ω t + k x + φo) = 0,03 ·sen (50 π t + 10π x) en unidades S.I. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Ejercicio 19 de la página 128 (Cont.) c) La ecuación general de la velocidad de vibración de las partículas es: vy (x,t) = A · ω· cos (ω t + k x + φo) y la aceleración con la que vibran las partículas responde a la ecuación: a (x,t) = –A · ω2 · sen (ω t + k x + φo) y como el valor máximo que puede tomar el seno o el coseno de un ángulo es 1, la velocidad y aceleración máximas serán: vmáxima = ± A · ω = 0,03 ·50 π = ± 1,5 π m/s = ± 4,7 m/s amáxima = ± A · ω2 = ± 0,03 ·(50 π)2 = ± 75 π2 m/s2 = ± 740 m/s2 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Actividad 2: La función de onda de una onda armónica en una cuerda es: Determina: a) En qué sentido se mueve la onda y con que velocidad. El signo – nos indica que la onda se propaga en el sentido POSITIVO del eje X, hacia la derecha El valor de la velocidad es: b) La longitud de onda y la frecuencia. Como : despejamos la longitud de onda: Como : despejamos la frecuencia: c) Las ecuaciones de la velocidad y la aceleración en función del tiempo para una partícula de la cuerda que se encuentra en el punto x = 5 cm . Las ecuaciones de la velocidad y de la aceleración son, en unidades del SI: Para x= 5 cm = 0,05 m: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Actividad 3 Una onda armónica se propaga de derecha a izquierda por una cuerda con una velocidad de 8 m·s–1. Su periodo es de 0,5 s y su amplitud 0,3 m. a) Escribir la ecuación de la onda, razonando cómo obtener el valor de cada una de los parámetros que intervienen en ella. La ecuación general de una onda armónica que se propaga de derecha a izquierda es: y (x,t) = elongación del punto x en el instante t A = Amplitud ω = Pulsación k = Número de ondas φ0= Fase inicial ● Según los datos: A = 0,3 m ● Como nos dan el periodo: T = 0,5 s , podemos calcular la pulsación: ● A partir de la pulsación y la velocidad v = 8 m·s–1 podemos calcular el número de ondas k: ● Como no nos dicen nada acerca de la posición de la partícula-foco en el instante inicial, supondremos que la fase inicial es 0 rad: ● La ecuación que nos piden, en unidades SI,es: b) Calcular la velocidad de una partícula de la cuerda situada en x = 2 m en el instante t = 1 s. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Actividad (Cont.) A partir de la ecuación de la elongación, derivando respecto del tiempo, podemos escribir la ecuación general de la velocidad de cualquier partícula de la cuerda, en unidades del SI: La partícula de la cuerda situada en el punto x = 2 m en el instante t = 1 s, tendrá una velocidad que calcularemos a partir de la ecuación anterior, sustituyendo x por 2 y t por 1: (Ejercicio propuesto en las PAU de Andalucía el curso 08-09) 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Doble periodicidad de la función de onda La expresión matemática obtenida para la función de onda y (x,t) revela una importante propiedad: el movimiento ondulatorio armónico sigue una ley doblemente periódica. Es decir, se trata de una función y de dos variables x y t, lo que significa que el valor de y depende tanto del tiempo t como de la posición x del medio que consideremos. Periodicidad respecto a la posición y (m) x(m) +A – A λ Para un instante determinado, la elongación y es una función sinusoidal de la posición x, cuyo periodo es la longitud de onda λ Las partículas separadas por un número entero de longitudes de ondas : x , x + λ , x + 2λ , x + 3λ , x +4 λ , x + 5 λ , …. están en fase. y ( x , t) = y (x + n· λ , t) Si están separadas por un número impar de medias longitudes de ondas: x, x+ , x … están en oposición de fase 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Periodicidad respecto al tiempo y (m) t(s) +A – A T Para una posición fija, la elongación y es una función sinusoidal del tiempo t, cuyo periodo es T Los estados de vibración de una partícula para tiempos que difieren en un número entero de periodos: t , t + T , t + 2 T, t + 3 T ,… están en fase. y ( x , t) = y (x , t + n · T ) Si los tiempos difieren un número impar de semiperiodos: t , t , t están en oposición de fase 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Actividad 4 Tenemos la ecuación de una onda armónica: x e y en cm t en s Determinar: a) Dos partículas del medio que estén en concordancia de fase con la partícula que se encuentra en el punto x = 0,85 cm Estarán en fase todas las partículas que distan de x=0,85 cm un número entero de longitudes de ondas. Por tanto, tenemos que calcular la longitud de onda λ : Como : despejamos la longitud de onda: Estarán en fase con la partícula situada en x = 0,85 cm las partículas situadas en: x = 0, = 4,85 cm ; x = 0, ·4 = 8,85 cm ; en general : x = (0,85 + n ·4) cm b) La elongación del punto x = 0,85 cm en el instante t = 0,5 s. Sustituimos estos valores en la ecuación de la onda para obtener la elongación y : c) Dos instantes posteriores en los que esta partícula tenga la misma elongación. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Actividad 4 (Cont.) x e y en cm t en s La partícula situada en x = 0,85 cm tendrá la misma elongación en todos los instantes que difieran de 0, 5 s un número entero de periodos T. Por tanto, tenemos que calcular el periodo T : Como : despejamos el periodo: La partícula situada en x = 0,85 cm tendrá la misma elongación en los instantes t = 0,5 + 0,79 = 1,29 s ; t = 0,5 + 2 · 0,79 = 2,08 s ; en general : t = (0,5 + n ·0,79) s d) ¿Qué desfase existe entre los puntos x1 = 0,85 cm y x2 = 2,85 cm en cualquier instante. Para x1 la fase en cualquier instante t vale: Para x2 la fase en cualquier instante t vale: El desfase o diferencia de fase es: Sustituyendo por sus valores podemos calcular el desfase: Estos puntos estarán siempre en oposición de fase 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

3.3. Energía de una onda armónica
Cuando una onda armónica se propaga por un medio, cada partícula del medio se ve sometida a un movimiento armónico simple MAS. Como vimos en el tema anterior, cada partícula tiene energía mecánica, suma de la cinética ( que tiene por estar en movimiento) y la potencial elástica ( como consecuencia de estar sometida a una fuerza conservativa) Si recordamos lo que vimos en el tema anterior: Como: Sustituyendo en la expresión de la energía mecánica: La energía transmitida por una onda armónica es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud A y al cuadrado de la frecuencia f A partir de la energía podemos, dividiendo por el tiempo Δt, calcular la potencia P de la onda: En el S.I. se mide en vatios (W) 28/04/2017 28/04/2017 IPFA Cádiz Departamento de Física y Química IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 28

Intensidad de las ondas En la figura se representa una onda que se propaga por el espacio con frentes de onda esféricos. La dirección de propagación de la onda es perpendicular al frente de onda y su velocidad es la misma en todas las direcciones radiales. Porción del frente de onda Rayo (recta que indica la dirección de propagación de la onda) Foco • R1 En un instante determinado t la onda ha alcanzado todos los puntos de una esfera de radio R1 λ R2 Con cierto retraso el movimiento ondulatorio va alcanzando otros frentes de onda de radio cada vez mayor, como R2 . λ Las partículas del frente de onda van recibiendo la energía procedente del foco, que se reparte entre todas las partículas. A medida que aumenta el radio del frente de onda, es mayor el número de partículas e irá disminuyendo la energía que recibe cada una. Teniendo en cuenta esto, introducimos una nueva magnitud, la intensidad. Frentes de onda esféricos (conjunto de puntos que en un momento vibran en concordancia de fase) Llamamos intensidad I de una onda a la energía que atraviesa por unidad de tiempo una superficie unidad perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Matemáticamente, se expresa: Unidad en el S.I. P = Potencia de la onda S = Área de la superficie 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 29

Intensidad de las ondas (Cont.) Veamos como disminuye la intensidad de la onda a medida que nos vamos alejando del foco. Fijémonos en las superficies esféricas de radio R1 y R2 en un instante. La intensidad en cada superficie será: Foco • R1 ya que la energía que procede del foco es la misma para todas las superficies. λ R2 λ Dividiendo ambas ecuaciones, obtenemos: La intensidad de un movimiento ondulatorio, cuyos frentes de ondas sean esféricos, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al foco. Frentes de onda esféricos (conjunto de puntos que en un momento vibran en concordancia de fase) Como hemos visto que la energía E es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud A: y la intensidad I es directamente proporcional a la energía E , podemos poner que: y por tanto: La amplitud de un movimiento ondulatorio, cuyos frentes de ondas sean esféricos, es inversamente proporcional a la distancia al foco. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 30

Si los frentes de ondas son superficies planas, la intensidad y la amplitud de la onda no disminuyen con la distancia al foco; se mantienen constante pues la energía se propaga por superficies iguales. Rayos Atenuación y absorción de las ondas Hemos visto que cuando la onda se aleja del foco, la energía propagada se distribuye en la superficie de los frentes de onda, cada vez con mayor número de partículas y en consecuencia cada partícula vibrará con menor energía. Este fenómeno se conoce con el nombre de atenuación de las ondas ( disminución natural de la energía). A x En una dirección así veríamos a la onda: Por otra parte, el rozamiento de las partículas del medio y otras causas, producen una absorción de energía, cuya magnitud depende de la naturaleza del medio por el que se propaga la onda. I0 I0 La intensidad de la onda se mantiene constante.No hay absorción. I0 I < I0 La intensidad de la onda disminuye exponencialmente con el espesor del medio, según la ecuación: La intensidad de la onda disminuye. Hay absorción. β x = espesor del medio β = Coeficiente de absorción del medio. En el SI se mide en m–1 . 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 31

Actividad 5 Una partícula transmite energía al medio elástico,homogéneo , isótropo y no absorbente que le rodea a razón de 20 J cada 5 s de forma continua. La amplitud de la vibración es de 3 cm a una distancia de 10 cm del foco emisor. Calcular: a) La amplitud del movimiento ondulatorio en un punto que dista 40 cm del foco. Hemos visto que la amplitud es inversamente proporcional a la distancia: No es necesario expresar las distancias al foco en metros, pues se eliminan las unidades. b) La intensidad de la onda en dicho punto. Por definición: c) ¿A qué distancia, medida desde el foco, la intensidad de la onda es la mitad de la obtenida en el apartado anterior? Hemos visto que la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Actividad 6 Calcular la velocidad del sonido en el aire a 27 °C. Datos: el coeficiente adiabático del aire γ = 1,4 ; la constante de los gases R = 8,314 la masa molar del aire M = 28,9 Como cualquier onda, la velocidad de propagación del sonido depende sólo de las características del medio por el que se propaga ( aire en este caso) y no de las de la fuente que lo emite. Aplicamos la expresión que vimos en la diapositiva 8, expresando los datos en el S.I.: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 33 33

Actividad 7 ¿A qué temperatura la velocidad de propagación del sonido en el aire es de 340 m/s? Datos: el coeficiente adiabático del aire γ = 1,4 ; la constante de los gases R = 8,314 la masa molar del aire : A partir de la expresión anterior, despejamos la temperatura: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 34 34

Actividad 8 Las ondas sonoras son audibles por el oído humano para frecuencias comprendidas entre 20 Hz y Hz. Determinar las longitudes de ondas de los sonidos que oímos los humanos. Dato: Tomar la velocidad del sonido en el aire : 340 m/s Como cualquier onda, la velocidad de propagación de las ondas sonoras se relaciona con su longitud de onda y su frecuencia por la expresión: Despejando podemos calcular la longitud de onda: Para f = 20 Hz: Para f = 20 Hz: 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º 35 35

F I N 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

Se denomina frente de onda al lugar geométrico en que los puntos del medio son alcanzados en un mismo instante por una determinada onda. Dada una onda propagándose en el espacio o sobre una superficie, los frentes de onda pueden visualizarse como superficies o líneas que se desplazan a lo largo del tiempo alejándose de la fuente sin tocarse. 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

2.2. Energía del Oscilador armónico simple Hemos visto que un oscilador armónico es un sistema material que se mueve con movimiento armónico simple MAS. La energía mecánica que posee es CINÉTICA, porque está en movimiento y POTENCIAL ELÁSTICA, ya que el movimiento armónico es consecuencia de la acción de una fuerza conservativa (la fuerza elástica recuperadora). Energía cinética La partícula de masa m que se mueve con una velocidad v tendrá una energía cinética: Energía potencial elástica Para un oscilador cuya constante elástica es k, la energía potencial elástica en el instante que su elongación es x vale: Energía mecánica Es la suma de las dos anteriores: APPLET VOLVER 28/04/2017 IPEP de Cádiz Departamento de Física y Química Física 2º

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