ONDAS
DEFINICION DE ONDA
En física, una onda es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, que se propaga a través del espacio transportando energía. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal o el vacío.
La propiedad del medio en la que se observa la particularidad se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo
f(x,t)
.
ELEMENTOS DE UNA ONDA:
T: Periodo en ciclos, es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la onda [s]
f: Frecuencia, las veces que se repite la vibración (ciclos por segundo) [Hz] A: Amplitud
Longitud de onda, distancia entre dos crestas [m] P1: Cúspide o cresta
P2: Valle
ONDAS Y ENERGIA
Una vibración puede ser definida como un movimiento de ida y vuelta alrededor de un punto de referencia.
En una onda, la energía de una vibración se va alejando de la fuente en forma de una perturbación que se propaga en el medio circundante.
Por tales razones, la teoría de ondas se conforma como una característica rama de la física que se ocupa de las propiedades de los fenómenos ondulatorios independientemente de cual sea su origen físico.
Una peculiaridad de estos fenómenos ondulatorios es que a pesar de que el estudio de sus características no depende del tipo de onda en cuestión, los distintos orígenes físicos que provocan su aparición les confieren propiedades muy particulares que las distinguen de unos fenómenos a otros. Por ejemplo, la acústica se diferencia de la óptica en que las ondas sonoras están relacionadas con aspectos más mecánicos que las ondas electromagnéticas (que son las que gobiernan los fenómenos ópticos).
Conceptos tales como masa, cantidad de movimiento, inercia o elasticidad son conceptos
importantes para describir procesos de ondas sonoras, a diferencia de en las ópticas, donde estas no tienen una especial relevancia. Por lo tanto, las diferencias en el origen o naturaleza de las ondas producen ciertas propiedades que caracterizan cada onda, manifestando distintos efectos en el medio en que se propagan (por ejemplo, en el caso del aire: vórtices, ondas de choque. En el caso de los sólidos: dispersión. En el caso del electromagnetismo presión de radiación.)
ONDA ESTACIONARIA
Una onda estacionaria es aquella que permanece fija, sin propagarse a través del medio. Este fenómeno puede darse, bien cuando el medio se mueve en sentido opuesto al de propagación de la onda, o bien puede aparecer en un medio estático como resultado de la interferencia entre dos ondas que viajan en sentidos opuestos.
La suma de dos ondas que se propagan en sentidos opuestos, con idéntica amplitud y frecuencia, dan lugar a una onda estacionaria. Las ondas estacionarias normalmente aparecen cuando una frontera bloquea la propagación de una onda viajera (como los extremos de una cuerda, o el borde de una piscina, más allá de los cuales la onda no puede propagarse). Esto provoca que la onda sea reflejada en sentido opuesto e interfiera con la onda inicial, dando lugar a una onda estacionaria.
Las ondas estacionarias se caracterizan por presentar regiones donde la amplitud es nula (nodos), y regiones donde es máxima (vientres). La distancia entre dos nodos o vientres consecutivos es justamente λ / 2.
Al contrario que en las ondas viajeras, en las ondas estacionarias no se produce propagación neta de energía.
CLASIFICACION
Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos:
En función del medio en el que se propagan
Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético. Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas cuya frecuencia está dentro del rango de la luz visible y viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km/s.
Ondas gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo. Se basan en la teoría de relatividad de Einstein y se transmiten a la velocidad de la luz.
En función de su propagación o frente de onda
Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son
aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.
Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella.
Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.
En función de la dirección de la perturbación
Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven (ó vibran) paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.
Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
En función de su periodicidad
Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.
ONDAS TRANSVERSALES
Cuando arrojamos una piedra a un estanque, creamos una perturbación que se propaga en el agua. Esta situación se muestra en las dos ilustraciones de la derecha.
La onda puede ser descrita por una magnitud A llamada amplitud que varía en función de la distancia x al punto de impacto. Podemos identificar la amplitud A(x) con la distancia que nos indique la variación del nivel del agua respecto de su estado en reposo. Su unidad es el metro (m) en el SI.
Instantes después de arrojar la piedra, un tapón de corcho que estuviera situado a cierta distancia no se alejaría del punto de impacto, ya que no ha sido golpeado por nada (la onda no transporta materia). Simplemente comenzaría a oscilar
verticalmente alrededor de su posición de reposo. Las ondas que provocan un movimiento oscilatorio de las partículas del medio de transmisión en dirección perpendicular a la de propagación se llaman ondas transversales.
A menudo, interesa estudiar la evolución de la perturbación en el tiempo A(t), en lugar de en el espacio A(x). En ese caso, debemos fijar un punto del espacio y observar cómo oscila una partícula del medio de transmisión alrededor de su posición de reposo en función del tiempo.
Si, por convenio, el impacto de la piedra se produce en t = 0, un poco más tarde, esa «información» llega al tapón de corcho y empieza a subir y a bajar. Su posición, en cada instante, viene dada por la gráfica de la derecha.
Al cabo de un tiempo t = tm se alcanza la mayor desviación de la posición de
equilibrio, es decir, la amplitud máxima Am.
ONDAS LONGITUDINALES
Cuando decimos una palabra, nuestras cuerdas vocales crean una perturbación que se propaga en el aire que nos rodea. Dicha perturbación consiste en una variación de la presión del aire, como ilustra la gráfica adjunta.
La onda sonora, que se propaga en la dirección x, crea alternativamente zonas de presión superior a la atmosférica (color oscuro) y zonas de presión inferior a la atmosférica (color claro) separadas por zonas de presión igual a la atmosférica (color blanco), estas últimas estrechísimas.
La magnitud A(x) que mejor describe la onda es, en este caso, la variación del nivel de presión del aire respecto de la presión atmosférica en condiciones normales (P atm = 101000 Pa = 1 bar = 1 atm). En el Sistema Internacional se mide en pascales (Pa).
La gráfica inferior es otra forma de representar la misma onda de presión. En los puntos x para los que A(x) = 0 no hay variación de presión respecto a la atmosférica, es decir, las moléculas presentes en el aire están en sus posiciones de equilibrio.
Una microscópica bolita de porexpán (parecido al tergopol) que estuviera suspendida a cierta distancia de nosotros, comenzaría a oscilar horizontalmente alrededor de su posición de reposo x0 cuando le llegara nuestra onda
Esa palabra lanzada al aire llegaría a los oídos de nuestro interlocutor y su cerebro se encargaría de asignarle un significado. Sin embargo, lo más probable es que llegue antes a un oído que a otro, ya que están colocados en sitios diferentes.
Cuando lo único que diferencia a dos señales es el tiempo en que se producen o el tiempo en que son recibidas, se dice que tienen distinta fase.
La fase suele denotarse con la letra griega φ(phi).
La diferencia de fase entre la onda que llega a un oído y a otro es lo que permite a nuestro cerebro adivinar de qué dirección proviene el sonido, aunque tengamos los ojos cerrados.
Observa la gráfica de la derecha y contesta: a) ¿En qué se diferencian ambas ondas?
b) ¿A qué oído llega antes la onda?
c) ¿Qué utilidad tiene este «desfase» para las personas?
PREGUNTAS CAPCIOSAS:
¿Se pueden transportar partículas en un movimiento ondulatorio?
¿Te animas a diferenciar entre onda longitudinal y onda transversal?
El diapasón para afinar instrumentos musicales es de metal, ¿qué sucede si es de madera?
¿Porque en la radio hay FM y AM?
Te animas a explicar básicamente como funciona un parlante y como un micrófono? ¿Como funcionan físicamente los tapones auditivos en los oídos?
¿La sordera en el trabajo se debe a ruidos fuertes o a ruidos que se han mantenido en el tiempo?
¿Las vibraciones afectan solo a los seres que poseen sentidos auditivos (personas, animales)? ¿Qué ruidos son más dañinos; los muy agudos o los graves?.
¿Cómo se puede definir la contaminación sonora?
