Introducción al segundo periodo grado noveno

 Fenómenos ondulatorios

 

Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar, a esos comportamientos se les conoce como fenómenos ondulatorios.

 

Difracción 

Fenómeno por el cual una onda se reproduce al atravesar una rendija u orificio. Solo se produce si el tamaño de la abertura es del mismo orden que la longitud de onda del movimiento ondulatorio. Ocurre también cuando la onda se encuentra con un obstáculo o borde afilado de tamaño comparable al de su longitud de onda.

 

 

En las aplicaciones que puede abordar este fenómeno encontramos la difracción de rayos X. En la química se utiliza para determinar la estructura interna de algunas sustancias. Mediante dispositivos sofisticados se determina que si cambia la distancia o colocación geométrica de los átomos, el patrón de difracción se modifica. El estudio se realiza sobre una pantalla y permite obtener datos sobre las estructuras cristalinas.

 

Instrumento de difracción de rayos X

Interferencia

Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio. Al propagarse dos o más ondas por un medio, la perturbación total resultante es la suma de las perturbaciones de ambas ondas. La interferencia puede ser constructiva (Izquierda de la imagen) o destructiva (derecha de la imagen). En el choque de dos objetos se intercambian energía y cantidad de movimiento.  

 

Principio de superposición

Cuando dos o más ondas coinciden en un punto, la perturbación resultante es la suma vectorial de las perturbaciones individuales. Sí la diección de vibración es igual para todas las ondas, la suma se convierte en una operación algebraica.

 

Reflexión

Es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.

 

 

 

Princio de Huygens aplicado a la reflexión de un ángulo (i) formado por el frente de onda con la superficie del mismo que el del rayo incidente (i) con la normal.

 

El rayo incidente, la normal a la superficie en el punto de incidencia y el rayo reflejado, están en el mismo plano. Los ángulos de incidencia (i) y de reflexión (r) son iguales por lo tanto no cambia ni la velocidad, ni la frecuencia ni la longitud de onda.

 

Refracción 

Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad.

 

Experimentalmente se obseva que el rayo incidente, el rato incidente, el refractado y la recta normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo plano. La relación entre el seno del ángulo de incidencia y el del ángulo de refracción es la misma que la de las velocidades de propagación de la onda en los dos medios.

 

Esta relación se conoce como ley de Snell, y la constante es el índice de refracción:

 

Si la onda se propaga más despacio en el segundo medio, el ángulo de refracción es menor que el de incidencia. Al cambiar de medio de propagación, la frecuencia no varía; en cambio, la velocidad sí, por lo que cambia el valor de la longitud de onda.

Segunda semana del primer periodo grado noveno

Rapidez de una onda

La rapidez de un movimiento ondulatorio pe­riódico se relaciona con la frecuencia y la lon­gitud de las ondas; depende igualmente de las propiedades del medio en el que se propaga la onda. Para una cuerda, por ejemplo, se puede apreciar que cuanto más gruesa, menor será la rapidez de la onda. Esta rapidez tam­bién depende de la tensión a la que se en­cuentre sometida la cuerda; en tanto más ten­sionada se encuentre, mayor será la velocidad de propagación de la onda en la cuerda.

 

 

Teniendo en cuenta que es el desplazamiento efectuado por la onda en la unidad de tiempo, si consideramos los parámetros que hemos definido hasta el momento, observamos que la onda recorre una distancia l(longitud de onda) en un tiempo T (período), por lo que:

Como: 

 

 

 Obtenemos finalmente:

Rapidez de una onda sometida a una tensión

Consideremos un ejemplo muy sencillo y clásico que puedes comprobar tú mismo: la propagación de un pulso en una cuerda. Si fijas uno de los extremos de una cuerda larga a la pared y generas en el otro un pulso mediante una única y rápida oscilación, verás que dicho pulso se propaga a lo largo de la cuerda. Para determinar la velocidad de propagación, bastaría con medir el tiempo que tarda el pulso en recorrer la longitud de la cuerda.

 

 

Puedes realizar también el siguiente experimento: si mides la velocidad de propagación con la cuerda en diferentes estados de tensión, comprobarás que dicha velocidad es mayor cuanto más tensa esté la cuerda, por lo que el pulso aparecerá más a la derecha. Si utilizas una cuerda más pesada, verás que la velocidad de propagación es menor.

En efecto, está comprobado que, en general, la velocidad de propagación de una onda en un medio puede expresarse como:

Así, por ejemplo, la velocidad de propagación del pulso en la cuerda es:

 

Donde "F" es la tensión de la cuerda (propiedad elástica), y "μ" la densidad lineal, es decir, la masa por unidad de longitud de la cuerda (propiedad inercial).

Primera semana del primer periodo grado noveno

Onda

En física, se conoce como onda a la propagación de energía (y no de masa) en el espacio debido a la perturbación de alguna de sus propiedades físicas, como son la densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético. Este fenómeno puede darse en un espacio vacío o en uno que contenga materia (aire, agua, tierra, etc.).

Las ondas se producen como consecuencia de oscilaciones y vibraciones de la materia, que se propagan en el tiempo según lo descrito por la Teoría de ondas, la rama de la física encargada de comprender dicho fenómeno, sumamente común en el universo.

De acuerdo al origen de las ondas o de la naturaleza del medio a través del cual se propagan, dependerán los efectos de su aparición y sus características. Así, podemos hablar de ondas de luz, de sonido, etc., cada una con propiedades físicas y frecuencias diferentes, dependiendo, entre otras cosas, del medio en el que se propagan y de cuánta energía transportan.

Algunas ondas, como las sonoras, no pueden transportarse en el vacío, requieren de un medio físico. Otras, como las ondas electromagnéticas, pueden hacerlo perfecta y velozmente: es así como operan los satélites artificiales que reenvían información a la Tierra mediante microondas.

Tipos de onda

Podemos clasificar las ondas de acuerdo a distintos criterios.

Según el medio en que se propagan:

• Ondas mecánicas. Precisan de un medio elástico (líquido, gaseoso o sólido) y de condiciones determinadas de temperatura y presión, para propagarse efectivamente. Por ejemplo: las ondas sonoras que se propagan por el aire o por el agua.

 

• Ondas electromagnéticas. No requieren de un medio porque se pueden propagar en el vacío. Por ejemplo: la luz.

 

• Ondas gravitacionales. Alteraciones del espacio-tiempo (recién confirmadas por la ciencia).

 

Según su periodicidad:

• Ondas periódicas. Presentan ciclos repetitivos.
• Ondas no periódicas. Presentan ciclos irregulares.

Según su dirección:

• Ondas unidimensionales. Se propagan a través de una sola dimensión en el espacio.
• Ondas bidimensionales. Se propagan a través de dos dimensiones y se suelen llamar también superficiales.
• Ondas tridimensionales. Se propagan en tres dimensiones y suelen llamarse esféricas.

Según el movimiento del medio:

• Ondas longitudinales. Las partículas del medio se mueven en la misma dirección en que se propaga la onda.
• Ondas transversales. Las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Partes de una onda

Una onda se compone de las siguientes partes:

 

• Cresta. Es el punto máximo en la ondulación.
• Valle. Es el punto más bajo de una onda (lo contrario de la cresta).
• Período. Es el tiempo que demora la onda en ir desde una cresta hasta la siguiente, o sea, en repetirse. Se representa con la letra T.
• Amplitud. Representa la variación máxima del desplazamiento, la distancia vertical entre la cresta y el punto medio de la onda. Se representa con la letra A.
• Frecuencia. Es el número de veces que la onda se repite en una unidad determinada de tiempo, razón por la cual se calcula según la fórmula f = 1/T. Se representa con la letra f.
• Longitud de onda. Es la distancia entre dos crestas consecutivas de la ondulación. Se representa con el símbolo λ (lamda).
• Ciclo. Es la ondulación completa, de principio a fin.

¿Cómo se propagan las ondas?

Las ondas suelen necesitar de un medio material para propagarse, aunque algunas lo pueden hacer perfectamente en el vacío (dependiendo de la naturaleza de la onda).

Por ejemplo, las ondas electromagnéticas, que constituyen oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos y se desplazan a la la velocidad de la luz, no requieren de un medio material para propagarse.

En cambio, las ondas mecánicas precisan de un medio físico para propagarse, como puede ser el agua, un metal o el aire. Por ejemplo, cuando arrojamos una piedra a un estanque, la piedra provoca una onda que se propaga a través del agua.