Movimiento ondulatorio

Definición

Es una forma de energía a través de un movimiento ondulatorio desde una fuente hasta un observador, sin contacto directo.

Ejemplos de ondas

Los rayos del sol nos llegan a través del vacío en forma de onda. El sonido de una bocina es una onda que viaja a través del aire hasta nuestros oídos. Las ondas de radio por medio de señales electromagnéticas llegan a nuestros radios. La luz visible que impresiona nuestra retina es una onda.

Podemos afirmar que vivimos rodeados de ondas, unas que no podemos ver a simple vista y otras como las que se forman:

En la superficie de aguas tranquilas o en una cuerda que se sacude.

Importancia del tema

Radica en la comprensión de las propiedades de las ondas, con el fin de analizar e interpretar, varios fenómenos naturales que están relacionados con el movimiento ondulatorio.

Movimiento Armónico Simple

Antes de analizar el movimiento ondulatorio, se hace necesario un estudio previo del movimiento vibratorio, ya que uno es consecuencia de otro.

Un movimiento es de Vaivén cuando se mueven ambos lados de una posición central: para arriba y para abajo o hacia la derecha o la izquierda.

Ejemplo:

Las olas del mar Las oscilación del columpio La masa que vibra atada al extremo de un resorte La masa en el péndulo

Movimiento Periódico: es un movimiento que se repite a intervalos iguales de tiempo.

Ejemplo

La rotación de un disco La masa que oscila en el péndulo simple La traslación de la tierra alrededor del sol

Definición de Movimiento Armónico Simple

Es un movimiento periódico de vaivén a ambos lados de una posición central de equilibrio.

Ejemplo.

Los casos de masas que vibran sujetas al extremo de un resorte ideal, y que oscilan unidas al extrema de un hilo sin peso e inextensible llamado Péndulo simple

Características

Oscilación Completa:

Movimiento repetido de un lado a otro en torno a una posición central, o posición de equilibrio.

Posiciones extremas

El recorrido que consiste en ir desde una posición extrema a la otra y volver a la primera, pasando dos veces por la posición central, se denomina ciclo.  El número de ciclos por segundo, o hercios (Hz), se conoce como frecuencia de la oscilación.

Cuando se pone en movimiento un péndulo o se puntea la cuerda de una guitarra, el péndulo y la cuerda acaban deteniéndose si no actúan sobre ellos otras fuerzas. La fuerza que hace que dejen de oscilar se denomina amortiguadora. Con frecuencia, estas fuerzas son fuerzas de rozamiento, pero en un sistema oscilante pueden existir otras fuerzas amortiguadoras, por ejemplo eléctricas o magnéticas.

Posición De Equilibrio

Es la posición central por la se puede ir de una posición extrema a otra.

Periodo T

Es el tiempo en una oscilación completa

Elongación

Es la distancia desde la posición de equilibro hasta el lugar donde está la masa en ese instante.

Amplitud

Es la máxima elongación, es decir desde la posición de equilibrio a la posición extrema de algunos de los lados.

Si el movimiento es armónico simple la amplitud debe de ser constante. El periodo debe de ser constante

Las velocidades y aceleraciones en cada punto de la trayectoria deben de repetirse de manera simétrica, es decir los valores de la velocidad y aceleración desde un punto extremo a otro deben de ser los mismos así como en otros puntos simétricos intermedios a ambos lados de la posición de equilibrio.

En un movimiento armónico simple actúa una fuerza de restitución ejercida por un resorte, por ejemplo y dirigida hacia la posición de equilibro, esto es lo que se conocer como una fuerza elástica y es directamente proporcional a la magnitud del desplazamiento. Según las leyes de newton una fuerza neta que actúa produce una aceleración y si esa fuerza es variable la aceleración es variable, por lo que:

“En el movimiento armónico simple la velocidad y la aceleración son variables”

“La velocidad varia en modulo cada instante y cambia de sentido en las posiciones extremas”

Por lo tanto en el movimiento armónico simple la aceleración va a ser directamente proporcional a la fuerza que se le aplique.

La anergia cinética es un Movimiento Armónico Simple variara de la misma forma que la velocidad., es decir es nula en los extremos y máxima en la posición de equilibrio.

La energía potencial es máxima en los extremos y nula en la posición central.

El movimiento pendular de una masa que vibra atada al extremo de un resorte cumplen con basten aproximación con todas estas características, pero los verdaderos movimientos armónicos simples son de las moléculas y átomos de los cuerpos, rígidos, en las estructuras como; puentes, columnas, vigas, etc. Son partículas que vibran con un periodo constante.

Ondas Armónicas

Es cuando la partícula por la cual pasa la onda se mueve con movimiento armónico. El medio de propagación de la onda debe de ser inerte y elástico.

En todo movimiento ondulatorio se producen dos movimientos:

Vibratorio: es cuando las partículas del medio bajo la acción de la perturbación pasan por su lugar de localización.

El movimiento de traslación de propagación, de la perturbación del medio elástico o las partículas no se desplaza con la onda.

Terminología

En el estudio del movimiento ondulatorio con frecuencia se emplean términos que le son característicos. Dentro de estos están:

Medio elástico: es aquel que recupera la forma original cuando desaparece el esfuerzo que lo deforma. La deformación será directamente proporcional al esfuerzo aplicado (Ley De Hooke)

Foco: es el centro emisor de la onda. Es el punto en el cual se produce la perturbación. Rayos: son las direcciones de propagación de la onda. Se representan por líneas que

salen de la fuente emisora Crestas y Valles: se acostumbra a llamar a la parte superior de la onda cresta y a la parte

inferior valle. En las crestas longitudinales las crestas son los puntos de máxima presión. Pulsación: es una sola onda o perturbación sencilla que se propaga en un medio elástico.

Son perturbaciones momentáneas o súbitas. Cada partícula del medio esta en reposo hasta que le llega el impulso, en ese instante se mueve durante un corto tiempo y luego queda en reposo.

Tren De Ondas: es una sucesión continua de pulsaciones, que se propaga en el medio elástico. Ejemplo: si tomamos una cuerda por su extremo libre y la movemos continuamente hacia arriba y hacia abajo, producimos una sucesión de ondas o tren de ondas. Todas las partículas de las ondas se están moviendo. Para producir un tren de ondas es necesario suministrar energía continuamente al centro emisor. El tren de ondas es periódico si el movimiento de la partícula es periódico y es armónico si el movimiento de aquella es armónico.

Frente De Onda: al propagarse una onda en el espacio tridimensional, simultáneamente un número de particular se encuentran en la misma fase de vibración. La superficie constituida por todos los puntos ocupados por las partículas en la misma fase del movimiento recibe el nombre de Frente De Onda. Todo punto de un frente de onda es centro emisor de nuevas ondas elementales.

Ondas planas y esféricas: se llama así si sus frentes de ondas son planos y esféricos. A una distancia suficientemente grande la fuente que genera, la ondas esféricas se pueden tomar segmentariamente como planas.

Tipos de Ondas

Las ondas se clasifican atendiendo a tres criterios:

1- Según el medio de propagación: Ondas mecánicas: es el movimiento de una perturbación que se propaga en un

medio físico, material o elástico. El estudio del movimiento ondulatorio se hace más fácil tomando aquellas ondas que se propagan en medios naturales y elásticos. Tales ondas son por ejemplo, las producidas en un resorte, las que se forman en la superficie del agua cuando tiramos una piedra. También las ondas que se forman en una cuerda. Sonido es un caso de ondas mecánicas ya que necesita de un medio material para propagarse pues el sonido no se propaga en el vacío. Las ondas mecánicas propagan Energía Mecánica.

Ondas Electromagnéticas: son aquellas que no necesitan de un medio físico elástico para su propagación, pueden propagarse en el vacío. En una onda electromagnética se propaga la energía electromagnética producida por oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos. Por ejemplo, la luz, ondas de radio, rayos X y todas las formas de espectros magnéticos. Se propagan a la velocidad de la luz.

2- Según la dirección de la propagación y la dirección de vibración Ondas longitudinales: una onda es longitudinal cuando la dirección de vibración

de la partícula coincide con la dirección de propagación de la onda. Una onda longitudinal es una sucesión de contracciones y dilataciones del medio; por ello se les llama ondas de presión; cada masa se mueve a una pequeña distancia del medio dando lugar a un pulso de compresión. La distancia entre una condensación (agrupación de partículas) y un enrarecimiento (separaciones) es media longitud de onda. La velocidad de propagación de las ondas longitudinales es distinta a la de las ondas transversales porque depende de características del medio. Las ondas longitudinales se propagan igualmente en sólidos, líquidos y gases pues solo exigen que el medio sea elástico. El sonido es un ejemplo de este tipo de ondas, cuando se propaga en el aire, genera pequeños y rápidos cambios en la presión del aire, constituyendo una onda longitudinal. La onda en un resorte es otro ejemplo de este tipo, cuando el extremo libre se desplaza a lo largo de su eje.

Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio adquieren un movimiento oscilatorio perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Las ondas electromagnéticas son doblemente transversales; el campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre si y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación.

3- Según el número de dimensiones en que se propaga la energía

Ondas unidimensionales: la energía se propaga en una dimensión. Por ejemplo; la onda que se propaga en la cuerda y la onda en un muelle.

Ondas bidimensionales: la energía se propaga en dos direcciones, es decir en un plano. Por ejemplo: las ondas que se forman en la superficie del agua.

Ondas tridimensionales: la energía se propaga en tres dimensiones, es decir en el espacio. Por ejemplo el sonido y las ondas luminosas. Si las ondas son unidimensionales (ondas planas) los frentes de ondas son superficies planas. En las ondas bidimensionales (ondas circulares) los frentes de ondas son círculos concéntricos. En las ondas tridimensionales (ondas esféricas) los frentes de ondas son superficies esféricas.

Magnitudes que intervienen en el movimiento ondulatorio

Longitud de onda ƛ: es la distancia entre dos puntos sucesivos que se encuentran en la misma fase de vibración. La letra griega ƛ (Lambda), es el símbolo para la longitud de onda.La longitud de onda representa la distancia entre dos crestas o valles consecutivos en una onda transversal. En una onda longitudinal, es la distancia entre dos contracciones consecutivas.En general es la distancia entre las dos partículas más cercanas que se encuentran en la misma fase del movimiento.

Amplitud A: es la máxima elongación con que vibran las partículas de medio. Depende de la energía que propaga la onda. También es la distancia máxima entre un punto de la onda y la posición de equilibrio.Físicamente representa el valor máximo que alcanza la perturbación que se propaga. En una onda longitudinal la amplitud representa la máxima presión que soportan las partículas del medio.

Periodo T: cuando entre perturbaciones transcurre un intervalo igual del tiempo, a ese se le llama perido T que se corresponde con el periodo de liberación de la fuente perturbadora.

Frecuencia F: es el número de ondas producidas en cada segundo que se corresponde con la frecuencia de oscilación de las partículas del medio.

Velocidad: la velocidad de propagación de la onda es constante, cada onda avanza la misma distancia en un mismo intervalo de tiempo.

Energía e intensidad en el movimiento ondulatorio

Las partículas en movimiento ondulatorio están animadas de movimiento armónico simple, por lo que poseen energía mecánica.

Esta energía se irradia en todas las direcciones en forma de onda con la velocidad de propagación. Al cabo de un tiempo la energía se distribuye en todas las partículas del frente de onda de radio y si no existe ningún tipo de rozamiento se conserva.

La energía que propaga una onda es directamente proporcional al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia.

La intensidad de un movimiento ondulatorio en un punto es la energía que atraviesa perpendicularmente la unidad de superficie colocada en dicho punto en la unidad de tiempo.

Fenómenos característicos de las ondas

Reflexión: es el fenómeno que ocurre cuando una onda llega a una superficie reflectante, choca y cambia su dirección de propagación devolviéndose.

Refracción: es el cambio de dirección en una onda cuando pasa de un medio a otro de distinta densidad. ”A menor velocidad de propagación mayor será la desviación para las mismas condiciones de incidencia”. “Si la velocidad aumenta también aumenta la longitud de onda”. La refracción la presentan toda clase de ondas ya sean electromagnéticas o mecánicas.

Difracción: cuando una onda encuentra un obstáculo puede reflejarse o curvarse alrededor del obstáculo, dependiendo del tamaño del obstáculo con respecto a la longitud de onda.

Interferencia: se le da el nombre de interferencia al resultado que produce, en el movimiento de una partícula dos ondas que inciden simultáneamente en la posición ocupada por la partícula en una misma región del espacio. También llamada superposición.

o Interferencia constructiva: cuando coinciden dos crestas o dos valles de manera

que la amplitud de la onda resultante es igual.o Interferencia destructiva: si coincide un valle y una cresta.

Ondas Sonoras

El sonido es una forma de energía que es producido por la vibración de un cuerpo que puede ser solido (cuerdas, lámparas, membranas), líquidos (agua que cae en una cascada) o gas (el aire que soplas cuando silbas).

La energía sonora se propaga por medio de ondas. El medio transmisor debe ser elástico y que tenga densidad pues de otro modo no puede soportar las ondas sonoras. El sonido no se propaga en el espacio.

Es necesario que un cuerpo vibrante, comunique sus movimientos a las moléculas del aire próximas, estas a su vez a las demás moléculas, así vibrando todas a través del aire, lleguen a nuestro oído par ser percibidos.

Un sonido puede ser producido y no transmitido o puede ser producido y transmitido pero no percibido por nuestros oídos, si su frecuencia no está dentro de nuestros límites de audición.

Un oído humano puede percibir entre 20 Hz y 20,000 Hz. Una persona Envejeciente no puede percibir más de 10,000 Hz.

Velocidad de Sonido

Siendo el sonido una onda longitudinal de presión, su velocidad de propagación es diferente en sólidos, líquidos y gases; ya que la densidad y compresibilidad varía en cada estado de la materia.

En los líquidos y en los sólidos la velocidad del sonido es mayor que en los gases ya que sus moléculas están más cercas para transmitir la onda de presión.

Cualquier vibración puede originar un sonido, pero únicamente las vibraciones longitudinales son capaces de transferirlas por el aire, estas transmisiones se hacen mediante ondas esféricas.

La velocidad del sonido depende de la temperatura siendo mayor a medida que aumenta.

Tipos De Ondas Sonoras

o Ondas Infrasonicas: son aquellas cuya frecuencia es inferior a 20Hz. Son producidas

por grandes centros emisores; como por ejemplo un temblor de tierra que produce las llamadas ondas sísmicas, otro ejemplo son aquellas que producen las máquinas pesadas cuando vibran. Estas no son percibidas por el oído humano.

o Ondas Sónicas: su frecuencia está comprendida entre 20 Hz (límite inferior de la

audición) y 20,000 Hz (límite superior de audición). Si la frecuencia es baja el sonido es grave y si es alta el sonido es agudo.Estas frecuencias son percibidas por nuestros oídos, aunque se establecen ciertos límites que pueden variar de un individuo a otro. Hay personas cuya audición ha sido deteriorada, disminuyendo la sensibilidad de sus oídos considerablemente por debajo de la de una persona normal.El límite inferior es de un sonido apenas perceptible y el límite superior es un sonido tan intenso que lastima el oído. La mayor sensibilidad del oído se encuentra cercana a los 3000Hz.

o Ondas Ultrasónicas: la frecuencia de este tipo de ondas es superior al límite de audición.

Puede tener una frecuencia de hasta 106. El comportamiento de las ondas ultrasónicas son similares al comportamiento de los rayos luminosos.

Cualidades del Sonido son:

o Sonoridad: depende de la intensidad de las ondas sonoras y por tanto de la amplitud. El

nivel de intensidad se mide en decibelio. Hay sonidos fuertes y débiles.o Tono: depende de la frecuencia. A mayor frecuencia el tono es más ayudo y más grave si

disminuye la frecuencia.o Timbre: por medio del timbre reconocemos un instrumento de otro o una voz humana de

otra. Depende de la forma de onda.

Fenómenos característicos de las ondas

o Reflexión: el sonido se refleja al chocar con obstáculos. Como paredes, montañas, etc.

Las superficies curvas son buenas reflectoras y son tomadas en cuenta al diseñar auditórium, al igual que el cemento, el mármol y el eco.

o Absorción: cuando la energía sonora se transforma parcialmente en calor (por fricción) y

parcialmente por vibración mecánica de los materiales. Las cortinas, paneles, tapetes ayudan con la absorción.

o Reverberación: Es la persistencia del sonido en un local después de suprimido el foco

sonoro.o Efecto Doppler: es la variación de la frecuencia de una onda percibida por un observador

cuando existe movimiento relativo de la fuente. El observador o ambos.

Las Ondas Electromagnéticas

No necesitan de un medio material para su propagación. Pueden propagarse en el vacío. Son doblemente transversales; los campos eléctricos y magnéticos (que la producen) son perpendiculares entre si y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación. Son ondas electromagnéticas; luz visible, rayos X, radioonda, microonda, rayos ultravioletas, etc.