Ondas4

Apuntes de Física y Química (4ºESO)

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Tema 6. Movimiento ondulatorio

Movimiento ondulatorio

Tipos de ondas

Elementos de una onda

El sonido. Audición

Cualidades del sonido

La luz

Reflexión

Refracción

Espejos

Lentes

Dispersión de la luz

Problemas

Práctica

Para saber mas y ampliar conocimientos: Internet



MOVIMIENTO ONDULATORIO

Qué ocurre con un trozo de corcho que flota en un

estanque cuando una piedra cae al agua lejos de él.

Observamos que, al cabo de un rato, el corcho

comienza a moverse. Inicialmente estaba en reposo al

igual que la superficie del estanque pero, al ser alcanzado por la perturbación,

comienza a moverse. La energía que posee se la ha comunicado la onda. Sin embargo

el corcho solamente se mueve de arriba hacia abajo y viceversa, no avanza hacia las

orillas.

Es decir un movimiento ondulatorio transporta energía sin que la materia sea

transportada.

TIPOS DE ONDAS

Según necesiten o no de un medio material para propagarse:

Ondas materiales o mecánicas necesitan para propagarse de la existencia de un medio

material. Ejemplos: ondas sonoras, las olas en un estanque, las ondas que se propagan

por una cuerda...

Escuchamos el sonido de la guitarra porque hay aire capaz de trasmitirlo, una explosión

estelar no podemos escucharla, no existe un medio material que la transmita, no

obstante la luz que emite una estrella o una galaxia llega a nosotros.

Ondas electromagnéticas pueden propagarse en el vacío, sin la existencia de un

soporte material. Se trata de un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares y

variables autosostenidos. Ejemplos: la luz, las ondas de radio, microondas, rayos X...

Según las direcciones de la vibración de las partículas alcanzadas por la onda y la

dirección de propagación de ésta:



Ondas longitudinales: La vibración de las partículas alcanzadas por la perturbación es la misma que la dirección de propagación de la onda. El sonido es de este tipo de ondas.

Ondas transversales: La vibración de las partículas tiene una dirección perpendicular a la de la propagación de las ondas. Las olas de un estanque son de ese tipo.

ELEMENTOS DE UNA ONDA

En una onda se debe distinguir varios elementos:

Antes de seguir adelante conviene definir una serie de conceptos referidos a las ondas.

- Pulso corresponde a la perturbación originada por una oscilación completa del punto

donde se produce la perturbación. Este viaja por el medio por el que se propaga la

onda a una cierta velocidad (constante si el medio es homogéneo).

- Una onda suele estar constituida por una sucesión de pulsos. Cuando la perturbación

que la origina es periódica se puede hablar de trenes de onda que serían el conjunto

de pulsos.

- Llamamos período al tiempo que transcurre entre dos

pulsos consecutivos si este es constante, o bien al tiempo en

que la partícula del medio en el que se propaga la onda repite

posiciones de forma consecutiva. Se mide en s en el S.I.

- El número de veces que un punto es alcanzado por la

perturbación en la unidad de tiempo se llama frecuencia. Se

mide en Herz (1 Hz = 1 ciclo/s).

- La distancia entre dos pulsos consecutivos se llama longitud de onda, y se mide en m.

- Se dijo anteriormente que la velocidad de propagación de la perturbación era

constante en un medio isótropo y se puede calcular considerando simplemente la



velocidad con que se propaga un pulso. Este recorre una distancia igual a la longitud de

onda en un tiempo igual al período.

v = λ / T = λ f

- Elongación es la separación en cualquier momento, de cada partícula respecto de la

posición de equilibrio.

- Se define como amplitud la elongación máxima de cualquier punto respecto de la

posición de equilibrio.

- Se llama número de onda k al número de longitudes de onda que hay en una

distancia 2·3,14 es decir:

k = 2π / λ

También se puede poner como

k = 2πf / λ f = ω / v

En espectroscopia se llama número de onda a la inversa de la longitud de onda.

Es decir un movimiento ondulatorio transporta energía sin que la materia sea

transportada.

EL SONIDO

El sonido es una onda material que se produce como consecuencia de la vibración en

la fuente sonora. Es decir se transmite la energía de un cuerpo que vibra. Puede ser un

diapasón o nuestras cuerdas vocales. Esta vibración se transmite a las partículas

próximas a la fuente que también oscilan y transmiten esta energía a las partículas más

próximas que se ponen a vibrar.

Así pues se originan en el medio material en que se transmite unas zonas de presiones

mas altas (compresión) y otras de presiones más bajas (enrarecimiento) que se

propagan en todas las direcciones del medio formando frentes de onda esféricos si el

medio es isótropo.

Está claro que para que se transmita el sonido es necesario que exista un medio

material elástico que lo transmita por lo que las ondas sonoras son ondas materiales o

mecánicas.



Las ondas sonoras son longitudinales, es decir, la dirección de la perturbación en el

medio y la dirección de propagación de la onda coinciden.

En un medio gaseoso, como el aire, la perturbación se produce tan rápido que el

proceso transcurre sin variación de calor, proceso adiabático. La velocidad de

propagación del sonido en el aire depende de factores ambientales aunque se suele

considerar de 340 m/s.

En medios líquidos y sólidos la velocidad de propagación es mayor así en el agua es

casi de 1500 m/s y en el acero de 5100 m/s.

Como cualquier onda el sonido tiene longitud de onda, distancia entre dos zonas

consecutivas en el mismo estado de vibración (en este caso presión), periodo es el

tiempo empleado por el sonido en recorrer una distancia igual a la longitud de onda y

frecuencia es el número de oscilaciones en la unidad de tiempo.

Audición:

El sonido se propaga por el aire en ondas

de frente esférico que transmiten las

variaciones de presión del aire al tímpano

(membrana que separa el oido externo del

oído medio), éste comienza a vibrar y

transmite esta perturbación a la cadena de

huesecillos que a su vez hacen de puente

para la transmisión al oido interno donde las terminaciones nerviosas del nervio

auditivo comunican una señal que el cerebro decodifica como sonido.

Las ondas sonoras deben estar entre los límites de audición correspondientes a

frecuencias entre 20 y 20000 Hz fuera de este rango de frecuencias no percibimos los



sonidos. Las de menor frecuencia son los infrasonidos y las de mayor frecuencia se

llaman ultrasonidos.

CUALIDADES DEL SONIDO

Intesidad o volumen depende de la amplitud del movimiento vibratorio. Esta

característica del sonido nos permite distinguir entre sonidos fuertes o débiles.

Sonoridad o Nivel de intensidad sonora se relaciona con la intensidad y como ésta

disminuye con la distancia. Se toma como unidad para medir el nivel subjetivo de

sonoridad el fonio o fon. Esta unidad está definida como la sonoridad de un sonido

senoidal de 1000 Hz con un nivel de presión sonora (intensidad) de 0 dB. Así, 0 dB es

igual a 0 fon y 120 dB es igual a 120 fon. Eso siempre para sonidos sinusoidales con

frecuencias de 1000 Hz.

El umbral de audición corresponde (para una frecuencia aproximada de 1000 Hz) a una

intensidad (I0) de 10-12 w/m2 mientras que para una intensidad de 1 w/m2 llegamos al

umbral de dolor.

Se establece la escala en decibelios (dB) para medir las intensidades sonoras. Se trata

de una escala relativa en la que se define el nivel de intensidad de sonido β de la

siguiente forma: β = 10 log ( I / I0 )

Como se puede deducir los valores de la intensidad sonora serán: en el umbral de

dolor 120 dB y en el umbral de audición 0 dB.

Tono se relaciona con la frecuencia, según el tono se distinguen sonidos agudos y

graves.

Los sonidos mas graves tienen bajas frecuencias, están comprendidas entre los 20 y

300 Hz, medias de 300 a 5000 Hz y agudos entre 5000 y 20000 Hz aproximadamente.

Timbre permite distinguir entre dos notas iguales emitidas por instrumentos

distintos. Depende de las frecuencias múltiplos o armónicos que acompañan una

frecuencia fundamental. Esta cualidad del sonido nos permite distinguir dos sonidos



de la misma intensidad y tono. La nota LA de la 5ª Octava tiene una frecuencia de 440

Hz en cualquier instrumento y sin embargo suena diferente en un piano o en un violín.

En realidad los sonidos son complejos, es decir, contienen muchos armónicos, se

pueden determinar mediante cálculos matemáticos (análisis de Fourier) y análisis

espectrográficos.

LA LUZ

Todo lo que vemos no es más que la luz emitida o reflejada por los cuerpos. La luz es

una onda electromagnética que, al contrario que las ondas materiales, puede

propagarse sin necesidad de que exista un medio material en el que se propaga.

Esta onda electromagnética es una onda transversal en la que se produce al mismo

tiempo una variación de un campo eléctrico y perpendicularmente a él de un campo

magnético. Se dice que se trata de una

onda autosostenida, la variación del

campo eléctrico provoca una variación en

el campo magnético y también a la

inversa

La luz se propaga en el aire y en el vacío a

una velocidad constante de 3·108 m/s (c) es la máxima velocidad de la luz, en otros

medios su velocidad es menor por ejemplo en el agua 2,25·108 m/s.

El cociente de la velocidad en el vacío y la velocidad de la luz en otro medio se llama

indice de refracción y siempre es mayor que la unidad salvo en el vacío o el aire que



vale 1. No tiene unidades puesto que se calcula dividiendo dos velocidades. Se

representa por la letra (n) y su valor es: n = c / v

En cualquier caso hay objetos que emiten luz, fuentes luminosas, otros que

simplemente reflejan parte de la que reciben, objetos iluminados. Además los objetos

al llegar la luz a ellos pueden interceptarla, no dejarla pasar, son los objetos opacos.

Dejar que pase a través de ellos, son los cuerpos translúcidos y los transparentes.

Los primeros dejan pasar la luz a su través pero los rayos emergentes no son paralelos

a los incidentes con lo que la imagen queda difusa mientras que en los segundos, al

tener los rayos incidentes y emergentes la misma dirección, podemos ver las imágenes

nitidas a través de ellos.

La Óptica estudia la luz. Puede hacerlo desde el punto de vista del estudio de las ondas

y hablamos de Óptica Física o desde el punto de vista de formación de imágenes

estudiando las trayectorias de los rayos luminosos y se trata de la Óptica Geométrica.

REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ

REFLEXION

Cuando una onda viaja por un medio y al llegar a

otro no puede penetrar en él se produce un

fenómeno de reflexión. Este fenómeno sigue las

siguientes leyes:

a) El rayo incidente, el reflejado y la normal

a la superficie de separación de los dos

medios en el punto de incidencia, están

en el mismo plano.

b) El ángulo de incidencia y el ángulo de

reflexión son iguales.

La reflexión de la luz la produce cualquier cuerpo

visible puesto que recordemos que lo que vemos

REFRACCION

Cuando una onda cambia de un medio a otro se

produce una variación en la dirección de

propagación de la misma si la velocidad de

propagación de las ondas es distinta en los dos

medios. Este fenómeno cumple las siguientes

leyes:

• El rayo incidente, el rayo refractado y la

normal a la superficie de separación de

los dos medios en el punto de incidencia,

están en el mismo plano.

• Los senos de los ángulos de incidencia y

refración guardan entre si una



no es mas que luz reflejada. No obstante esta

reflexión puede ser de dos tipos. Especular o

difusa

• Reflexión especular, se produce en

superficies muy pulimentadas, en espejos

y en metales, de forma que los rayos de

luz que llegan paralelos se reflejan y

salen paralelos.

• Reflexión difusa se produce en

superficies irregulares de forma que los

rayos incidentes paralelos no tienen por

qué ser paralelos tras la reflexión.

proporción constante e igual al cociente

entre las velocidades de propagación de

la onda en el medio de incidencia y el de

refracción.

La refracción provoca fenómenos como el que

hace que al observar desde arriba una cucharilla

dentro de un vaso nos parezca que está doblada,

en realidad se debe a que nuestro cerebro percibe

la luz que llega al ojo como sise propagara en línea

recta.

Los espejismos también se deben a múltiples

procesos de refracción que hacen que la luz sea

reflejada y se perciba como si se tratara de un

reflejo del agua sobre el suelo.

En el primer caso el aire caliente, con índice de refracción menor que el frío va haciendo que el rayo

procedente de la copa del árbol vaya formando un ángulo de incidencia cada vez mayor con la capa

siguiente hasta que supera el ángulo límite y es reflejado percibiéndose como si se tratara de un rayo

reflejado en una capa de agua del suelo.

En el segundo caso la luz emitida por los faros del coche sufre el mismo proceso pero a la inversa puesto

que en la noche el aire cercano al suelo está más frío que el que está más alto. Se percibe como si el

punto luminoso estuviera en el cielo.



ESPEJOS

Espejos planos provocan una reflexión en la luz y forman una imagen virtual

Espejo esférico puede ser cóncavo o convexo formando la imagen tal y como se indica

en la animación de la izquierda.

Espejo cóncavo

Objeto más alejado del centro de curvatura, imagen real menor e invertida

Objeto sobre el centro de curvatura, imagen real igual e invertida

Objeto entre el centro de curvatura y el foco, imagen real mayor e invertida

Objeto entre el foco y el vértice, imagen virtual mayor y derecha

Espejo convexo

Sea cual sea la posición del objeto la imagen será virtual menor y derecha



LENTES

Están formadas por un medio transparente separado del resto por paredes planas o

curvas. Pueden ser de dos tipos: lentes convergentes y lentes divergentes.

Lente convergente

Todos los rayos que inciden sobre ellas y que son paralelas al eje óptico confluyan en

un punto llamado foco. Por otro lado cualquier rayo que parte del foco, después de

atravesarla sale paralelo al eje óptico.

Objeto a distancia mayor que el doble de la focal:

Objeto a una distancia doble de la focal:

Objeto sobre el foco:

Objeto entre la lente y el foco:

Lente divergente

Todos los rayos que entran en ellas paralelos al eje óptico se separan de él y sus

prolongaciones convergen en el espacio objeto en el foco.

Objeto en cualquier posición:

DISPERSION DE LA LUZ

Cuando la luz atraviesa un prisma sufre una doble refracción al

entrar en el prisma y sale de él. Resulta que la luz blanca está

formada por muchos colores y cada uno de ellos tiene un índice de

refracción distinto lo que da lugar a que la refracción que sufre



cada uno de ellos también sea distinto con lo que, la luz blanca que entra en el prisma

sale dispersada formando una amplia gama de colores (los del arco iris).

Esta es precisamente la explicación de la formación del arco iris. La luz blanca de los rayos del Sol atraviesa las gotas de lluvia que

al mismo tiempo caen.



PROBLEMAS Y CUESTIONES

1. Una onda se produce cuando una masa unida a un resorte golpea la superficie

de un estanque 2 veces cada segundo. Las ondas generadas tardan en llegar

desde el foco de la perturbación a un punto situado a 2 metros del mismo un

tiempo de 5 segundos. Determina la velocidad de propagación de la onda y la

longitud de la misma. Sol: 0.4 m/s, 0.2 m

2. La nota do tiene una frecuencia de 261 Hz y otra Fa 430 Hz. Calcula la relación

existente entre sus longitudes de onda. Sol: λ1 = 1.65·λ2

3. Un determinado sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s y en

un sólido a 1500 m/s, sabiendo que se trata del mismo sonido indica la relación

entre las longitudes de onda en ambos medios. Sol: λ1 = 0.227·λ2

4. El índice de refracción de un vidrio es 1,45. Calcula la velocidad de propagación

de la luz en él. Sol: 1.82·108 m/s

5. Explica mediante un dibujo por qué razón se ve un lápiz como si estuviera

partido cuando se introduce en un vaso con agua.

6. Busca información sobre la causa de la formación de un eclipse de Luna y de un

eclipse de Sol.

7. Busca información sobre la formación de los espejismos.

8. Busca información sobre la miopía y la forma de corregirla.

9. El astigmatismo. ¿Cómo se corrige?

10. ¿Por qué razón un ruido muy fuerte puede producir sordera permanente?



Práctica: COMPROBACIÓN CUALITATIVA DE LA FORMACIÓN DE LA IMAGEN EN UN

ESPEJO PLANO.

Objetivo:

Comprobar que la imagen formada por un espejo plano es del mismo tamaño que el objeto, simétrica y derecha.

Materiales:

Banco óptico, espejo plano, cinta métrica o regla, soportes y un par de lápices o bolígrafos iguales.

Procedimiento:

Ponemos el objeto delante del espejo a una cierta distancia del mismo de forma que la imagen obtenida no sea de la totalidad del mismo sino solamente de una parte de él (a).

(a) (b)

A continuación, por detrás del espejo movemos el otro objeto igual de forma que visualicemos la parte visible como continuación de la imagen (b). Se mide la distancia del objeto al espejo y se comprueba si el objeto situado detrás del espejo está a la misma distancia.

PRÁCTICA: Visualización de los rayos emergentes de una lente convergente o

divergente.

Objetivo:

Comprobar lo que ocurre con rayos que entran paralelamente en una lente convergente o divergente.

Materiales:

Banco óptico, disco Harlt, soportes, triple rendija, lente convergente y lente divergente.

Procedimiento:

Hacemos incidir un haz luminoso sobre la triple rendija. A continuación pasamos los rayos emergentes a través de la lente y observamos los resultados.



PARA AMPLIAR CONOCIMIENTOS Y ENTENDER MAS… INTERNET

1. Este tema y sus explicaciones con animaciones flash en

fisicayquimicaenflash.es:

http://fisicayquimicaenflash.es/eso/4eso/ondas/ondas00.html

2. El proyecto Newton también tiene materiales utilizables:

http://recursostic.educacion.es/newton/web/materiales_didacticos/ondas/ondas-indice.htm

3. Fq_experimentos tiene muchas experiencias caseras para ilustrar casi todos los

temas:

http://fq-experimentos.blogspot.com.es/2008/12/de-oscilaciones-ondas.html

http://fq-experimentos.blogspot.com.es/2013/07/271-ver-el-sonido.html

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