INTRODUCCIÓN
Muy a menudo, observamos cómo a nuestro alrededor se presentan fenómenos extraños en la naturaleza a los cuales pocas veces, por falta de conocimiento, logramos dar explicación. Ejemplo de estos fenómenos pueden ser los que últimamente se presentan con más frecuencia, como los son los terremotos, maremotos, que son de la misma línea de los terremotos, sólo que se presentan en las profundidades marítimas, u otros un poco más normales como lo son el movimiento de las olas del mar, la propagación del sonido en el vacío, o más cercano, en nuestros televisores y equipos de sonido.
Esta parte de la Física, estará enfocada en darnos a conocer de una manera más explícita y matemáticamente, cómo se llevan a cabo estos fenómenos relacionados con la propagación de las ondas, y comenzaremos en este trabajo definiendo algunos términos claves que nos guiaran en el transcurso de la materia.
Es vital, no solo para nosotros como futuros Ingenieros Industriales, entender este tipo de fenómenos para saber manejarlos, sino que sería pertinente para todas las personas el conocimiento de estos, para tomar medidas preventivas seguras en casos tales como los terremotos, que últimamente están afectando tanto a la población mundial.
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.
Las ondas se dividen en:
MECÁNICAS: Necesitan un medio para propagarse.
ELECTROMAGNÉTICAS: Se pueden propagar en el vacío.
Estas perturbaciones se propagan desde el punto en que se producen hacia el medio que rodea ese punto.
Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse.
El medio elástico se deforma y se recupera vibrando al paso de la onda.
La perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que impacta -este es el foco de las ondas- y en esa partícula se inicia la onda.
La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medio que rodea al foco con una velocidad constante en todas las direcciones, siempre que el medio sea isótropo (de iguales características físico- químicas en todas las direcciones).
Todas las partículas del medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera y se ponen a vibrar.
Las ondas se dividen en:
MECÁNICAS: Necesitan un medio para propagarse.
ELECTROMAGNÉTICAS: Se pueden propagar en el vacío.
Estas perturbaciones se propagan desde el punto en que se producen hacia el medio que rodea ese punto.
Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse.
El medio elástico se deforma y se recupera vibrando al paso de la onda.
La perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que impacta -este es el foco de las ondas- y en esa partícula se inicia la onda.
La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medio que rodea al foco con una velocidad constante en todas las direcciones, siempre que el medio sea isótropo (de iguales características físico- químicas en todas las direcciones).
Todas las partículas del medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera y se ponen a vibrar.
PERIODICIDAD ESPACIAL
Supongamos que en un determinado momento obtenemos una instantánea del perfil de la onda. En un punto situado a una distancia x del origen de la perturbación el valor de la elongación será:
Un punto que diste del anterior un número entero de longitudes de onda:
y(x+ nλ,t) = A·cos·[2π [(t /T ) − (x /λ )] − ( 2π/λ)·nλ ] = A·cos(ωt − k·x − 2πn) = A·cos(ωt − k·x ) = y(x,t)
Como se ve la elongación toma los mismos valores, para el mismo tiempo, en los puntos que distan un número entero de veces λ (longitud de onda). Existe por tanto una periodicidad espacial.
Todos los puntos que distan entre si un número entero de longitudes de onda están en el mismo estado de vibración.
Si el medio es homogéneo (velocidad de propagación de la onda es constante en todo él todos los puntos equidistantes del origen de la perturbación son alcanzados por la misma en el mismo instante y el lugar geométrico de todos esos puntos se llama frente de onda.
Según la forma del frente de onda podemos hablar de ondas planas, ondas circulares, esféricas.
En un medio homogéneo e isótropo la dirección de propagación es perpendicular al frente de onda.
PERIODICIDAD TEMPORAL
Supongamos que ahora estudiamos las elongaciones en un punto fijo en función del tiempo:
Cuando ha transcurrido un tiempo nT desde el momento anterior, la elongación será por tanto la misma que en ese momento anterior. Hay periodicidad temporal.
Se puede decir que el movimiento ondulatorio es doblemente periódico, presentando una periodicidad espacial y otra temporal.
DESFASE
El desfase entre dos ondas es la diferencia entre sus dos fases. Habitualmente, esta diferencia de fases, se mide en un mismo instante para las dos ondas, pero no siempre en un mismo lugar del espacio.
Se puede medir el desfase como:
· Un ángulo (en radianes o en grados o aún en giros).
· Un tiempo (en segundos o como un múltiplo o una fracción del período).
· Una distancia (en metros o como un múltiplo o una fracción de la longitud de onda).
La noción de desfase no se limita a las ondas sinusoidales. Se puede hablar de desfase de cualquier tipo de onda o fenómeno periódico. En el caso de ondas o fenómenos de período diferente, el desfase puede carecer de interés.
Para los fenómenos no periódicos, solo se puede hablar de avance o retardo.
VELOCIDAD DE FASE
La velocidad de fase de una onda es la tasa a la cual la fase de la misma se propaga en el espacio. Ésta es la velocidad a la cual la fase de cualquier componente en frecuencia de una onda se propaga (que puede ser diferente para cada frecuencia). Si tomamos una fase en particular de la onda (por ejemplo un máximo), ésta parecerá estar viajando a dicha velocidad. La velocidad de fase está dada en términos de la velocidad angular de la onda ω y del vector de onda k por la relación:
Hay que tener en cuenta que la velocidad de fase no es necesariamente igual a la velocidad de grupo de una onda, que es la tasa a la cual viaja la energía almacenada en la onda.
La velocidad de fase de la radiación electromagnética puede en ciertas circunstancias ser superior a la velocidad de la luz en el vacío, pero esto no implica que haya transmisión de energía por encima de dicha velocidad.
El desfase entre dos ondas es la diferencia entre sus dos fases. Habitualmente, esta diferencia de fases, se mide en un mismo instante para las dos ondas, pero no siempre en un mismo lugar del espacio.
Se puede medir el desfase como:
· Un ángulo (en radianes o en grados o aún en giros).
· Un tiempo (en segundos o como un múltiplo o una fracción del período).
· Una distancia (en metros o como un múltiplo o una fracción de la longitud de onda).
La noción de desfase no se limita a las ondas sinusoidales. Se puede hablar de desfase de cualquier tipo de onda o fenómeno periódico. En el caso de ondas o fenómenos de período diferente, el desfase puede carecer de interés.
Para los fenómenos no periódicos, solo se puede hablar de avance o retardo.
VELOCIDAD DE FASE
La velocidad de fase de una onda es la tasa a la cual la fase de la misma se propaga en el espacio. Ésta es la velocidad a la cual la fase de cualquier componente en frecuencia de una onda se propaga (que puede ser diferente para cada frecuencia). Si tomamos una fase en particular de la onda (por ejemplo un máximo), ésta parecerá estar viajando a dicha velocidad. La velocidad de fase está dada en términos de la velocidad angular de la onda ω y del vector de onda k por la relación:
Hay que tener en cuenta que la velocidad de fase no es necesariamente igual a la velocidad de grupo de una onda, que es la tasa a la cual viaja la energía almacenada en la onda.
La velocidad de fase de la radiación electromagnética puede en ciertas circunstancias ser superior a la velocidad de la luz en el vacío, pero esto no implica que haya transmisión de energía por encima de dicha velocidad.
ONDA ARMÓNICA
Llamamos onda armónica a aquella en la que la perturbación que se propaga es un movimiento armónico simple. Pueden generarse ondas armónicas transversales en una cuerda elástica agitando uno de sus extremos con un vibrador armónico que oscile en dirección perpendicular a la de la cuerda. Podemos originar ondas armónicas longitudinales en un muelle mediante el mismo método, pero moviendo esta vez el vibrador en la misma dirección que la del muelle. La propagación a velocidad finita de la perturbación a lo largo de la cuerda hace que el aspecto de una onda armónica transversal sea el de una serie de crestas y valles que se van propagando a una cierta velocidad v. En el caso de una onda armónica longitudinal propagándose por un muelle lo que vemos es una sucesión alterna de contracciones y estiramientos. En ambos casos cada punto del medio de propagación se encuentra en cada instante separado una cierta distancia de su posición de equilibrio: la posición que ocupa cuando no hay onda que se propague. Esa separación es la elongación correspondiente al movimiento vibratorio armónico que describe el punto. La amplitud de ese movimiento es la amplitud de la onda. En el caso de las ondas transversales la amplitud es la altura de una cresta o la profundidad de un valle. Cuando dos puntos tienen la misma elongación y la misma velocidad (incluyendo el sentido del movimiento) decimos que se encuentran en fase. Dos puntos en fase se mueven exactamente de la misma manera: en cada instante tienen la misma elongación y se mueven con la misma velocidad (y, por tener la misma velocidad, el mismo sentido de movimiento). En el caso de las ondas transversales, dos cimas o dos valles están en fase. A la distancia entre dos puntos en fase consecutivos se le denomina longitud de onda (λ - letra griega lambda-).
POLARIZACIÓN
Una onda es polarizada, si solo puede oscilar en una dirección. La polarización de una onda transversal describe la dirección de la oscilación, en el plano perpendicular a la dirección del viaje. Ondas longitudinales tales como ondas sonoras no exhiben polarización, porque para estas ondas la dirección de oscilación es a lo largo de la dirección de viaje. Una onda puede ser polarizada usando un filtro polarizador.
La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo, en una posición dada. Para ondas con variación sinusoidal dicha figura es en general una elipse. Hay una serie de casos particulares.
Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina linealmente polarizada, si es un círculo circularmente polarizado.
El sentido de giro del campo eléctrico, para una onda que se aleja del observador, determina si la onda está polarizada circularmente a derechas o a izquierda. Si el sentido de giro coincide con las agujas del reloj, la polarización es circular a derechas. Si el sentido de giro es contrario a las agujas del reloj, la polarización es circular a izquierdas. El mismo convenio aplica a las ondas con polarización elíptica.
ONDAS PLANAS
Una onda plana o también llamada onda monodimensional, es una onda de frecuencia constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son planos paralelos de amplitud constante normales al vector velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de ondas son planos y paralelos.
Por extensión, el término es también utilizado para describir ondas que son aproximadamente planas en una región localizada del espacio. Por ejemplo, una fuente de ondas electromagnéticas como una antena produce un campo que es aproximadamente plano en una región de campo lejano. Es decir que, a una distancia muy alejada de la fuente, las ondas emitidas son aproximadamente planas y pueden considerarse como tal.
Bajo ciertas condiciones, el sonido no se propaga en forma de esferas si no como una onda plana. En tubos cuando la longitud de onda es mayor que el diámetro del tubo, el sonido se propaga como una onda plana, este principio es sumamente importante en lineal de transmisión y laberintos acústicos, da la posibilidad de construir cajas de resonantes no graves.
Dentro de una caja de subwoofer, la longitud de onda es tan grande, que las ondas se comportan como ondas planas para el rango de los subgraves, la consecuencia es que las ondas planas al no dispersarse tampoco crean ondas estacionarias y la caja no puede resonar por motivos únicamente acústicos y no hace falta material absorbente.
ONDAS ESFÉRICAS
Una onda esférica, en física, es aquella onda tridimensional, es decir, que se propaga a la misma velocidad en todas direcciones. Se llama onda esférica porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas, cuyos centros coinciden con la posición de la fuente de perturbación.
Las ondas sonoras son ondas esféricas cuando se propagan a través de un medio homogéneo, como el aire o el agua en reposo. También la luz se propaga en forma de ondas esféricas en el aire, el agua, o a través del vacío.
EFECTO DOPPLER
El sonido lo percibimos porque el aire que está en contacto con el tímpano el oído varía, esas variaciones que tienen las mismas frecuencias en las vibraciones del foco sano y el observador están en reposo. Ahora bien, si uno de los dos (fuente sonora u observador) se acercan o se alejan, la intensidad del sonido varía. Esto se debe a que a medida que nos acercamos a la fuente o la fuente se acerca a nosotros, aumenta la frecuencia (número de onda) y el sonido se hace más intenso; de lo contrario, si nos alejamos de la fuente o ella se aleja de nosotros, el sonido es menos intenso, debido a que la frecuencia disminuye. Este fenómeno recibe el nombre de efecto Doppler, y lo hemos vivido cuando la sirena de una ambulancia o de los bomberos se acerca o se aleja de nosotros.
Llamamos onda armónica a aquella en la que la perturbación que se propaga es un movimiento armónico simple. Pueden generarse ondas armónicas transversales en una cuerda elástica agitando uno de sus extremos con un vibrador armónico que oscile en dirección perpendicular a la de la cuerda. Podemos originar ondas armónicas longitudinales en un muelle mediante el mismo método, pero moviendo esta vez el vibrador en la misma dirección que la del muelle. La propagación a velocidad finita de la perturbación a lo largo de la cuerda hace que el aspecto de una onda armónica transversal sea el de una serie de crestas y valles que se van propagando a una cierta velocidad v. En el caso de una onda armónica longitudinal propagándose por un muelle lo que vemos es una sucesión alterna de contracciones y estiramientos. En ambos casos cada punto del medio de propagación se encuentra en cada instante separado una cierta distancia de su posición de equilibrio: la posición que ocupa cuando no hay onda que se propague. Esa separación es la elongación correspondiente al movimiento vibratorio armónico que describe el punto. La amplitud de ese movimiento es la amplitud de la onda. En el caso de las ondas transversales la amplitud es la altura de una cresta o la profundidad de un valle. Cuando dos puntos tienen la misma elongación y la misma velocidad (incluyendo el sentido del movimiento) decimos que se encuentran en fase. Dos puntos en fase se mueven exactamente de la misma manera: en cada instante tienen la misma elongación y se mueven con la misma velocidad (y, por tener la misma velocidad, el mismo sentido de movimiento). En el caso de las ondas transversales, dos cimas o dos valles están en fase. A la distancia entre dos puntos en fase consecutivos se le denomina longitud de onda (λ - letra griega lambda-).
POLARIZACIÓN
Una onda es polarizada, si solo puede oscilar en una dirección. La polarización de una onda transversal describe la dirección de la oscilación, en el plano perpendicular a la dirección del viaje. Ondas longitudinales tales como ondas sonoras no exhiben polarización, porque para estas ondas la dirección de oscilación es a lo largo de la dirección de viaje. Una onda puede ser polarizada usando un filtro polarizador.
La polarización de una onda es la figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo, en una posición dada. Para ondas con variación sinusoidal dicha figura es en general una elipse. Hay una serie de casos particulares.
Si la figura trazada es una recta, la onda se denomina linealmente polarizada, si es un círculo circularmente polarizado.
El sentido de giro del campo eléctrico, para una onda que se aleja del observador, determina si la onda está polarizada circularmente a derechas o a izquierda. Si el sentido de giro coincide con las agujas del reloj, la polarización es circular a derechas. Si el sentido de giro es contrario a las agujas del reloj, la polarización es circular a izquierdas. El mismo convenio aplica a las ondas con polarización elíptica.
ONDAS PLANAS
Una onda plana o también llamada onda monodimensional, es una onda de frecuencia constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son planos paralelos de amplitud constante normales al vector velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de ondas son planos y paralelos.
Por extensión, el término es también utilizado para describir ondas que son aproximadamente planas en una región localizada del espacio. Por ejemplo, una fuente de ondas electromagnéticas como una antena produce un campo que es aproximadamente plano en una región de campo lejano. Es decir que, a una distancia muy alejada de la fuente, las ondas emitidas son aproximadamente planas y pueden considerarse como tal.
Bajo ciertas condiciones, el sonido no se propaga en forma de esferas si no como una onda plana. En tubos cuando la longitud de onda es mayor que el diámetro del tubo, el sonido se propaga como una onda plana, este principio es sumamente importante en lineal de transmisión y laberintos acústicos, da la posibilidad de construir cajas de resonantes no graves.
Dentro de una caja de subwoofer, la longitud de onda es tan grande, que las ondas se comportan como ondas planas para el rango de los subgraves, la consecuencia es que las ondas planas al no dispersarse tampoco crean ondas estacionarias y la caja no puede resonar por motivos únicamente acústicos y no hace falta material absorbente.
ONDAS ESFÉRICAS
Una onda esférica, en física, es aquella onda tridimensional, es decir, que se propaga a la misma velocidad en todas direcciones. Se llama onda esférica porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas, cuyos centros coinciden con la posición de la fuente de perturbación.
Las ondas sonoras son ondas esféricas cuando se propagan a través de un medio homogéneo, como el aire o el agua en reposo. También la luz se propaga en forma de ondas esféricas en el aire, el agua, o a través del vacío.
EFECTO DOPPLER
El sonido lo percibimos porque el aire que está en contacto con el tímpano el oído varía, esas variaciones que tienen las mismas frecuencias en las vibraciones del foco sano y el observador están en reposo. Ahora bien, si uno de los dos (fuente sonora u observador) se acercan o se alejan, la intensidad del sonido varía. Esto se debe a que a medida que nos acercamos a la fuente o la fuente se acerca a nosotros, aumenta la frecuencia (número de onda) y el sonido se hace más intenso; de lo contrario, si nos alejamos de la fuente o ella se aleja de nosotros, el sonido es menos intenso, debido a que la frecuencia disminuye. Este fenómeno recibe el nombre de efecto Doppler, y lo hemos vivido cuando la sirena de una ambulancia o de los bomberos se acerca o se aleja de nosotros.
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