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ONDA Una onda es una perturbación que se propaga. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un

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ONDA Una onda es una perturbación que se propaga. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse. El medio elástico se deforma y 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 con una velocidad constante (si el medio es isótropo) y todas las partículas del medio son alcanzadas con un cierto retraso respecto a la primera y se ponen a vibrar. (Recuerda la ola de los espectadores en un estadio de futbol)-.

TIPOS DE ONDAS

1. PULSO Y TREN DE ONDAS El movimiento de cualquier objeto material puede ser considerado como una fuente de ondas. Al moverse perturba el medio que lo rodea y esta perturbación, al propagarse, puede originar un pulso o un tren de ondas. Un impulso único, una vibración única en el extremo de una cuerda, al propagarse por la cuerda da un tipo de onda llamada pulso. Si las vibraciones del extremo se suceden de forma continuada se forma un tren de ondas que se desplazará a lo largo de la cuerda.

2. ONDAS TRANSVERSALES Y LONGITUDINALES Si las partículas del medio en el que se propaga la perturbación vibran perpendiculares a la dirección de propagación, las ondas se llaman transversales. Si vibran en la misma dirección se llaman longitudinales. Aceptaremos que la forma de los pulsos no varía durante la propagación, lo cual sólo es sólo cierto para las ondas electromagnéticas ( que son no materiales) y en el vacío.

Santiago Leyva Salazar

Nos referiremos a ondas cuyos pulsos pueden ser descritos por las funciones matemáticas seno y coseno. Llamaremos a estas ondas armónicas. Las partículas del medio en que se propagan estas ondas (en este caso las de la cuerda) vibran perpendicularmente a la posición inicial de la cuerda, separándose de la posición inicial arriba y abajo con un movimiento vibratorio armónico simple. La separación de la posición de equilibrio responde a la fórmula y(t)=A· senw t, donde A es la amplitud o separación máxima . La velocidad de vibración de las partículas es variable ( v=A ·wsen wt ), perpendicular a la dirección de propagación y diferente de la velocidad de propagación del pulso (V) que es constante. Las ondas transversales tienen nodos y valles (mira el dibujo animado del inicio de la página) y las longitudinales tienen compresiones y dilataciones. Las ondas longitudinales (como las del sonido) se propagan en medios con resistencia a la compresión (gases, líquidos y sólidos) y las transversales necesitan medios con resistencia de flexión como la superficie de un líquido y en general medios rígidos (los gases y líquidos no transmiten las ondas transversales) Se define la longitud de onda (l) como la distancia que recorre el pulso mientras un punto realiza una oscilación completa. El tiempo que tarda en realizar una oscilación se llama periodo (T) y la frecuencia (n) es el número de oscilaciones (vibraciones) que efectúa cualquier punto de la onda en un segundo.

Santiago Leyva Salazar

MAGNITUDES BÁSICAS 1. VELOCIDAD En física, velocidad es la magnitud física que expresa la variación de posición de un objeto en función del tiempo, o distancia recorrida por un objeto en la unidad de tiempo. Se suele representar por la letra . La velocidad puede distinguirse según el lapso considerado, por lo cual se hace referencia a la velocidad instantánea, la velocidad promedio, etcétera. En el Sistema Internacional de Unidades su unidad es el metro por segundo

ó .

En términos precisos, para definir la velocidad de un objeto debe considerarse no sólo la distancia que recorre por unidad de tiempo sino también la dirección y el sentido del desplazamiento, por lo cual la velocidad se expresa como una magnitud vectorial. 2. UNIDADES DE VELOCIDAD   

           

Metro por segundo (m/s), unidad de velocidad del Sistema Internacional de Unidades Kilómetro por hora (km/h) (uso coloquial) Kilómetro por segundo (km/s) (uso coloquial)

TIPO DE ONDA Y MEDIO Onda sonora en el aire a 10®c Onda sonora en el aire a 28®c Onda sonora en el agua Onda sonora en el acero Ondas sísmicas Onda luminosa en el vidrio Onda de vidrio en el vacío del aire Onda luminosa en el vacío del aire

VELOCIDAD APROXIMADA 337 m/s 348 m/s 1,500 m/s 5,000 m/s 4-14 km/s 200,000 km/s 300,000 km/s 300,00 km/s

Velocidad = (v) constante Frecuencia = (f) Hz = 1/s Longitud de onda = (λ)

Santiago Leyva Salazar

3. FRECUENCIA Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.

Ejemplos de ondas de distintas frecuencias; se observa la relación inversa con la longitud de onda. Para calcular la frecuencia de un suceso. Según el SI (Sistema Internacional), la frecuencia se mide en hercios (Hz), en honor a Heinrich Rudolf Hertz. Un hercio es aquel suceso o fenómeno repetido una vez por segundo. Así, dos hercios son dos sucesos (períodos) por segundo, etc. Esta unidad se llamó originariamente «ciclo por segundo» (cps) y aún se sigue utilizando. Otras unidades para indicar la frecuencia son revoluciones por minuto (rpm). Las pulsaciones del corazón y el tempo musical se miden en «pulsos por minuto» (bpm, del inglés beats per minute).

Un método alternativo para calcular la frecuencia es medir el tiempo entre dos repeticiones (periodo) y luego calcular la frecuencia (f) recíproca de esta manera:

Donde T es el periodo de la señal.

4. LONGITUD DE ONDA La longitud de onda de una onda describe cuán larga es la onda. La distancia existente entre dos crestas o valles consecutivos es lo que llamamos longitud de onda. Las ondas de agua en el océano, las ondas de aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen longitudes de ondas.

Santiago Leyva Salazar

La letra griega "l" (lambda) se utiliza para representar la longitud de onda en ecuaciones. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda. Una longitud de onda larga corresponde a una frecuencia baja, mientras que una longitud de onda corta corresponde una frecuencia alta. La longitud de ondas de las ondas de sonido, en el rango que los seres humanos pueden escuchar, oscilan entre menos de 2 cm (una pulgada), hasta aproximadamente 17 metros (56 pies). Las ondas de radiación electromagnética que forman la luz visible tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros (luz morada) y 700 (luz roja) nanómetros (10-9 metros). La frecuencia y longitud de onda de una onda están relacionadas entre sí mediante la siguiente ecuación: l=c/f donde "l" es la longitud de onda, "c" es la velocidad de la onda, y "f" es la frecuencia. Para la luz y otras ondas electromagnéticas que viajan en el vacío, c = 299 792.458 km/seg (186,282 millas/seg), la velocidad de la luz. Para las ondas de sonido que se desplazan por el aire, c es aproximadamente 343 metros/segundos (767 millas/hora). La luz roja, con una frecuencia aproximada de 440 terahertz, tiene ondas de unos 682 nm de largo ( l = c / f = 2.99 x 108 m s-1 / 440 x 1012 s-1 = 682 x 10-9 m = 682 nm). Las ondas de sonido con un tono de 1 000 hertz (1 kHz), produce ondas con longitudes de ondas de unos 34 cm (l = c / f = 343 m s-1 / 1000 s-1 = 0.343 metros).

Santiago Leyva Salazar

5. AMPLITUD DE ONDA En física la amplitud de un movimiento oscilatorio, ondulatorio o señal electromagnética es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra magnitud física que varía periódica o cuasi periódicamente en el tiempo. Es la distancia máxima entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio.

6. ONDA SINUSOIDE: 1 = Amplitud, 2 = Amplitud de pico a pico, 3 = Media cuadrática, 4 = Periodo.

Santiago Leyva Salazar

Fenómeno que lo caracterizan La 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. La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda. Cuando un rayo se refracta al pasar de un medio a otro, el ángulo de refracción con el que entra es igual al ángulo en que sale al volver a pasar de ese medio al medio inicial. La difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor. Comparación entre los patrones de difracción e interferencia producidos por una doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo).El fenómeno de la difracción es un fenómeno de tipo interferencial y como tal requiere la superposición de ondas coherentes entre sí. Se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.

Santiago Leyva Salazar

La interferencia es cualquier proceso que altera, modifica o destruye una onda durante su trayecto en el medio en que se propaga. La palabra destrucción, en este caso, debe entenderse en el sentido de que las ondas cambian de forma al unirse con otras; esto es, después de la interferencia normalmente vuelven a ser las mismas ondas con la misma frecuencia. El Efecto Doppler, llamado así por el austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo entre la fuente, el emisor y/o el medio. El científico neerlandés Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot investigó esta hipótesis en 1845 para el caso de ondas sonoras y confirmó que el tono de un sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja. Hippolyte Fizeau descubrió independientemente el mismo fenómeno en el caso de ondas electromagnéticas en 1848. En Francia este efecto se conoce como "efecto Doppler-Fizeau" y en los Países Bajos como el "efecto Doppler-Gestirne".

Santiago Leyva Salazar

Un micrófono inmóvil registra las sirenas de los policías en movimiento en diversos tonos dependiendo de su dirección relativa. En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectrómetros. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, cuando el cuerpo sí sería apreciable de forma directa la variación de longitud de onda. Sin embargo hay ejemplos cotidianos de efecto Doppler en los que la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la velocidad de propagación de esas ondas. La velocidad de una ambulancia (50 km/h) puede parecer insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel 8, sin embargo se trata de aproximadamente un 4% de la velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como para provocar que se aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del observador.

Santiago Leyva Salazar