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ONDAS

Sitio: Aulas | Uruguay Educa
Curso: CIENCIAS FÍSICO - QUÍMICA
Libro: ONDAS
Imprimido por: Invitado
Día: jueves, 21 de noviembre de 2024, 21:51

Tabla de contenidos

1. Introducción

La mayoría de nosotros vimos ondas, por ejemplo, cuando lanzábamos una piedra en un charco, la perturbación creada por la piedra genera ondas en el agua, que se mueven hacia fuera hasta que finalmente llegan al borde del charco. Una amplia variedad de fenómenos físicos tienen características semejantes. El mundo está lleno de ondas, ondas de sonido, ondas electromagnéticas, como son las ondas de luz visible, ondas de radio, señales de televisión y rayos X. Todas estas ondas tienen como fuente un objeto que vibra.

En el caso de las ondas de sonido, las vibraciones que las producen surgen de fuentes como las cuerdas vocales de una persona o cuando se pulsa la cuerda de una guitarra. Las vibraciones de electrones en una antena producen ondas de radio o televisión, y el simple movimiento hacia arriba y abajo de una mano puede producir una onda en una cuerda. Cualquiera sea el tipo de onda en estudio, hay ciertos conceptos que son comunes a todas las vibraciones.

Como ya dijimos antes, cuando se deja caer una piedra en un charco, la perturbación excita ondas en el agua, que se alejan del punto en el que la piedra entró al agua. Si examina con cuidado del movimiento de una hoja que flote cerca de la perturbación, verá que sube y baja y se mueve en vaivén alrededor de su posición original, pero no experimenta ningún desplazamiento atribuible a la perturbación. Esto es, que la perturbación se mueve de un lugar a otro, pero con ella no se lleva agua.

Einsten e Infeld hicieron estas observaciones acerca de fenómenos ondulatorios:

“Un chisme que aparece en Washington llega a Nueva York rápidamente (de boca en boca), aun cuando ninguna persona que tome parte en la diseminación viaje entre estas dos ciudades. En este caso hay dos movimientos distintos el del rumor, de Washington a Nueva York y el de las personas que extendieron en rumor. El viento que pasa sobre un campo de granos, inicia una onda que se extiende por todo el campo. Aquí también debemos distinguir entre el movimiento de la onda y el movimiento de las plantas separadas, que experimentan sólo pequeñas vibraciones, pero todo el movimiento es el de una onda que avanza. Lo (…) nuevo aquí es que por primera vez consideramos el movimiento de algo que no es materia, sino energía propagada por la materia”. (A. Einsten y L. Infeld, The evolution of Physics).

Cuando observamos lo que se llama una onda acuática, lo que vemos es una redistribución de la superficie del agua. Sin agua no habría onda. Por ejemplo, si observamos la superficie de un charco en el momento que cae una gota, esta gota produce una perturbación, que genera una onda circular en torno al punto donde ésta ha caído. Si además sobre la superficie se encuentra flotando una hoja podrás observar que la hoja no se traslada al ser alcanzada por la perturbación, simplemente adquiere un movimiento oscilatorio (sube y baja) en torno a su posición inicial.

El teléfono celular es una de las maravillas de la tecnología moderna. Si queremos comunicarnos con otra persona por intermedio del mismo, podemos lograrlo rápidamente sin importar la distancia a la que se encuentre dicha persona. Cuando hablamos por celular el sonido de la voz se codifica, enviando una señal que contiene información de la voz. Esta señal viaja a gran velocidad por el espacio, la que después es redirigida por satélites y es recibida por otro teléfono que la decodifica, de modo de generar el sonido en el parlante. La señal que viaja por el espacio portadora de la información es una onda electromagnética.

Todas las ondas llevan energía. La cantidad de energía transmitida por un medio y el mecanismo responsable del transporte de energía difieren de un caso a otro. Por ejemplo, la energía transportada por las olas oceánicas durante una tormenta es mucho mayor que la llevada por una onda de sonido generada por una sola voz humana.


2. ¿Qué es una onda?

¿Qué es una onda?

Las ondas son el resultado de una perturbación que se propaga por el espacio. Una onda es toda forma de transferir energía de un lugar a otro del espacio sin desplazar materia.

Clasificación:

Como se menciona en la introducción existen ondas de diversos tipos, por lo tanto es necesario conocer las clasificaciones, las ondas pueden clasificarse según diversos criterios


3. Criterio: Basado en si la onda necesita un medio material para propagarse

  1. Criterio: Basado en si la onda necesita un medio material para propagarse.

Ondas mecánicas: son aquellas que necesitan de un medio material para propagarse. Por ejemplo: ondas en una cuerda, en el agua, el sonido.

Ondas electromagnéticas: son aquellas que no necesitan de un medio de propagación, se pueden propagar en el vacío. Se generan por la vibración de cargas eléctricas. Ejemplos de este tipo de onda son: la luz, los rayos cósmicos, los rayos gamma, los rayos X, la radiación ultravioleta, la radiación infrarroja, las microondas, y las ondas de radio.

Las ondas electromagnéticas han sido descubiertas y descriptas en el siglo pasado, muy posteriormente a las mecánicas, ya que al principio no se concebía la posibilidad de que las ondas pudieran propagarse en el vacío. De hecho, para justificar que se trataba de ondas, los científicos trataron de probar que éstas eran mecánicas y se propagaban por un medio denominado éter, por lo que realizaron diversos experimentos sin poder demostrar la existencia de ese medio.


4. Criterio: Basado en las direcciones de propagación.

  1. Criterio: Basado en las direcciones de propagación.

Unidimensionales: Se propagan en una dirección (ondas en una cuerda, en un alambre, en un cable) 

Bidimensionales: Se propagan en dos direcciones (ondas en la superficie del agua, en una chapa, en una lonja)

Tridimensionales: Se propagan en tres direcciones (ondas sonoras, en el aire, ondas de radio y TV)



5. Velocidad de propagación de un pulso

Velocidad de propagación de un pulso

Al generar una perturbación ésta se propaga por el espacio, a esa perturbación se le denomina pulso de onda y viajará a cierta velocidad.

¿De qué depende la velocidad de propagación de un pulso? La velocidad de propagación de un pulso de onda depende únicamente de las características del medio en el cual se propaga.

A partir del desarrollo del conocimiento científico, se han determinado algunos casos particulares, trabajaremos con los siguientes casos a continuación:


6. Ondas en una cuerda


7. Luz y ondas electromagnéticas

  1. Luz y ondas electromagnéticas en general: la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal cuyo valor es 299.792.458 m/s (que suele aproximarse a 3,00 x 108 m/s para trabajar con una cantidad de cifras significativas razonable). Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritas (en español celeridad o rapidez).

El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983.

La rapidez a través de un medio que no sea el vacío depende de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. Así, la velocidad de la luz y las ondas electromagnéticas en un medio queda determinada mediante la ecuación:


8. Ondas periódicas parte 1


Las vibraciones u oscilaciones de los sistemas es un campo de estudio importante dentro de la física. Todo sistema posee una capacidad de vibración y la mayoría de los sistemas pueden vibrar libremente de muchas maneras diferentes.

“Después de todo, nuestros corazones laten, nuestros pulmones oscilan, tiritamos cuando tenemos frío, a veces roncamos, podemos oír y hablar gracias a que vibran nuestros tímpanos y laringes. Las ondas luminosas que nos permiten ver son ocasionadas por vibraciones….Incluso los átomos que componen nuestro cuerpo vibran.”3

Un pulso puede transferir energía de un lugar a otro del espacio, cuando tenemos un conjunto de pulsos que son emitidos a intervalos iguales, estamos ante la formación de una onda periódica. En cada período se produce una perturbación idéntica a la anterior.

Analicemos el caso de una onda periódica en una cuerda: la forma de la cuerda en cualquier instante es un patrón repetitivo.


La línea horizontal representa la línea de equilibrio cuando no está presente el movimiento ondulatorio en la cuerda. La distancia máxima que la onda se mueve arriba o debajo de esta posición de equilibrio se llama amplitud A. Para las ondas que trabajaremos, las amplitudes de la cresta y el valle serán idénticas.



La figura ilustra otra característica, la distancia entre dos puntos que se comportan de manera idéntica (en fase) se denomina longitud de onda λ (letra griega lambda). Unidad en el S.I: m (metro).

Pero, ¿qué significa que los puntos de un medio se encuentren en fase? Dos o más puntos del medio están en fase cuando tienen la misma posición respecto a la posición de equilibrio y tienen la misma velocidad (recuerda que la velocidad es una magnitud vectorial por lo cual tener la misma velocidad implica además de mismo módulo, misma dirección y sentido).

  1. French. Vibraciones y Ondas. 2001: p.3.

En la imagen adjunta, el punto A y B están en la misma posición respecto a la posición de equilibrio, pero sus velocidades (representadas vectorialmente) son diferentes, por lo cual no están en fase. De modo contrario, los puntos A y C están en la misma posición respecto a la posición de equilibrio y sus velocidades son iguales en módulo, dirección y sentido, por lo que está en fase. La distancia que hay entre A y C es entonces la longitud de onda.



9. Ondas periódicas parte 2


IMPORTANTE: Podemos utilizar estas ecuaciones de ondas periódicas en muchos tipos de ondas, no solo para ondas en una cuerda, por ejemplo la usaremos en ondas de sonido y electromagnéticas.


Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío con la misma velocidad “c” (3,0 x 108 m/s), difieren entre sí en su longitud de onda y frecuencia, como v=λ.f, para todas las ondas electromagnéticas ese producto debe ser igual a c.


10. Evaluación

Test creado con GoConqr por CERESO DGES

11. Créditos

Prof. Andrea Gandioli

ILSUS: Natalia Medina y Claudia Álvarez.

Audio Natalia Medina