ONDAS

Las ondas están en todas partes, podemos reconocerlas o no, estas constituyen un campo de esencial importancia para la física, ya que permiten explicar numerosos hechos y fenómenos de la naturaleza como el sonido, la luz e interpretar también el funcionamiento de varios aparatos de uso cotidiano (radio, tv, control remoto, microondas, celulares) además de otros de tecnología mas avanzada como satélites, mamógrafos, tomógrafos.

¿Qué experiencia han tenido que los ayude a entender la naturaleza de las ondas?...

-Las ondas se nos presentan en la vida diaria en diferentes fenómenos: Un chico hamacándose. Movimiento de las manos al decir hola. El movimiento de las olas en el mar. Al moverse un péndulo. Al flamear la bandera. Al estirar un resorte. Cuando los chicos saltan la soga. Cuando emitimos sonidos. Cuando escuchamos, la radio, la TV.

En estos ejemplos están comprendidos diferentes tipos de ondas, pero todas ellas tienen en común que resultan de una perturbación que se propaga en el espacio y en el tiempo.Para que se originen ondas, tiene que existir un sistema emisor que oscile y transmita energía.En algunos casos, es necesario un medio material de propagación, como por ejemplo el aire, la cuerda, el agua, etc.Las ondas de luz y las radiaciones producidas por las oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos en el tiempo, se propagan en el vació a una velocidad de 300.000 Km. /s.La velocidad de propagación de una determinada onda depende del tipo de onda y de las características del medio en el que se transmite la perturbación.

Tomemos unos de estos ejemplos: Cuando el resorte esta en reposo, tiene una posición natural que es conocida como posición de equilibrio o de reposo. Las espiras del resorte adoptan esta posición y están igualmente espaciadas. Para producir una onda en el resorte movemos la primera espira,

hacia arriba o hacia abajo, hacia adelante o hacia atrás. Así es como se moverá la primera partícula, pero después de moverse volverá al estado de equilibrio o de reposo. Una perturbación en el resorte consiste en mover la primera espira en una dirección generando así un tipo de onda que volverá al estado de reposo.

Una onda puede ser descripta como una perturbación que viaja en un medio, transportando energía de un lugar (fuente) a otro sin transporte de materia. Cada partícula del medio es temporariamente desplazada pero vuelve a su posición de equilibrio original.

Elementos de una Onda

El modelo de ondas permite describir muchos fenómenos físicos, como las ondas no se ven pero si se pueden observar sus efectos, se las puede representar gráficamente obteniendo así una forma de interpretarlas.Para lograr esta aproximación de lo que es una onda, se trabaja con un par de ejes cartesianos, donde el eje x corresponde a la dirección de propagación de la onda y el eje y a la dirección de oscilación.En este grafico llamado sinusoide, grafico típico en matemáticas, utilizado para representar la función trigonometriíta seno, podemos observar varios elementos:

*Amplitud: La amplitud es el máximo desplazamiento de una partícula del medio, medida desde la posición de equilibrio; es decir, es la distancia desde la posición de reposo hasta la cresta de la onda. La amplitud también se puede medir desde la posición de reposo hasta el valle de la onda.

*Cresta: La cresta es el punto más alto de dicha amplitud o punto máximo de saturación de la onda.

*Valle: El valle es el punto mas bajo de dicha amplitud.

*Periodo: Es el tiempo necesario para que se produzca una oscilación completa. En este tiempo la perturbación de onda recorre una longitud de onda. Se representa con la letra T. Se mide en segundos.

*Frecuencia: Se entiende por frecuencia al número de veces que es repetida dicha vibración, en otras palabras es una simple repetición de valores por un periodo de tiempo determinado. Se representa con la letra f. se mide en 1/s.

*Longitud de onda: Es un lapso igual al periodo, es la distancia recorrida por la onda, ósea es la distancia que separa los frentes de dos ondas consecutivas. Seria la distancia entre dos puntos máximos o mínimos consecutivos. Se simboliza con el símbolo (.

*Velocidad: la velocidad de propagación de la onda depende del tipo de onda y del medio en que se propaga. Por ejemplo la velocidad de propagación del sonido en el aire a 20ºC es aproximadamente de 340 m/s, mientras que la velocidad de propagación de la luz en el vacío es de 300000km/s. para calcular la velocidad de propagación de una onda se puede utilizar la siguientes formulas: V= : V= f

Clasificación de ondas

Las ondas pueden clasificarse en dos grandes grupos teniendo en cuenta si para propagarse necesita de un medio material o no.

Ondas mecánicas: Las ondas se mueven por un medio.Medio es la sustancia o material que transporta la onda. Piensen cuando se habla de los medios de comunicación (que se refieren a los diarios, la radio, la televisión, etc.), que llevan las noticias de un lugar a otro. Los medios no producen las noticias, las noticias se mueven a través de los medios, pero el medio por el cual nos llegan las noticias no es necesariamente el mismo: puede ser que las leamos en un diario, las veamos en la televisión, o las escuchemos en la radio. Es decir que el medio es lo que transporta la onda, no es la onda ni produce la onda. En el caso de nuestro resorte, la onda viaja a través de las espiras del resorte; en el caso de las olas del mar, el medio en el que se transportan las olas es el agua del mar; si hay un coro cantando, las ondas de sonido se

transportan por el aire; en una cancha de fútbol, el medio para que se produzca “la ola” son los hinchas de fútbol.Entonces podemos decir que serán ondas mecánicas aquellas que para propagarse necesitan de un medio material.Cuando una onda esta presente en un medio (es decir, una perturbación que se mueve en el medio), las partículas individuales del medio son solo desplazadas temporalmente de su posición de equilibrio. Hay siempre una fuerza actuando sobre las partículas que restablece la posición original.Las ondas son un fenómeno de transporte de energía. Una perturbación se mueve, a través del medio, de una partícula a la otra, la energía es transportada desde un extremo hasta el otro. Cuando en un resorte la primera espira transfiere energía a la segunda, al retornar a su posición de equilibrio posee la misma cantidad de energía que tenia originalmente.

Ondas Electromagnéticas: Existen otras que no necesitan de un medio material para desplazarse, son las ondas electromagnéticas, tales como las ondas de radio y las que constituyen la luz. En estas ondas lo que oscila no son partículas materiales sino campos eléctricos y magnéticos, por lo cual pueden propagarse en el vacío. Así se explica que lleguen hasta la superficie terrestre la luz y otras radiaciones no visibles provenientes del Sol, las estrellas y otras galaxias muy lejanas.Entonces podemos decir que las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío, ósea no necesitan de un medio material para hacerlo.

Ondas transversales y longitudinales

Dentro de las ondas mecánicas podemos encontrar dos nuevos tipos de ondas según la dirección en la que se propagan.

Ondas transversales : Vieron cuando atamos una soga a una pared, y generamos en ella un movimiento ondulatorio, en realidad lo que estamos generando es una onda transversal, entonces podemos decir que este tipo de ondas, como son mecánicas necesitan de un medio (la soga) para propagarse, y en la cuál las partículas de medio se mueven en un eje perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Las ondas electromagnéticas también son ondas que propagan las partículas en forma perpendicular al movimiento de la onda, pero como no es un fenómeno verificable empíricamente, diremos que solo son ondas transversales.

Las otras son las ondas longitudinales, estas ondas hacen que las partículas vibren en un eje paralelo a la dirección de propagación de la onda. Ej.: la onda sonora.

Actividad Materiales:- Un resorte* ¿Qué tipo de onda se puede generar con este resorte?* Participación de los alumnos.

Ondas viajeras y estacionarias

Otra clasificación que puede proporcionarse de ondas, se relaciona con el estado en el que se hayan las mismas: en movimiento constante o en una fase estacionaria.

Las ondas viajeras:Una onda mecánica es una perturbación que viaja a través del medio de un lugar a otro transportando energía en su movimiento. El mecanismo por el cual una onda mecánica se transporta en un medio involucra interacción entre las partículas: una partícula empuja a la que tiene al lado y la provoca un desplazamiento que la aparta de la posición de equilibrio. Como ejemplo, supongamos que tenemos todas las fichas de un juego de dominó paraditas en filas; si dejamos caer una ficha, esta derriba a la siguiente, y esta última, a la siguiente… Hasta que todas las fichas caen. La energía es transferida de una ficha (partículas) a la otra y la perturbación se propaga a través del medio. En el caso de las fichas de dominó no hay una fuerza restauradora que las tienda a llevar a la posición de equilibrio nuevamente y de esta manera oscilan como las partículas de un medio continuo, de modo que la perturbación que produjo la caída de las fichas de dominó no se vuelve a repetir, lo que sucede en general en cualquier medio. Como la onda viaja en el medio, se observa que una cresta se va moviendo de partícula en partícula. La cresta es seguida por un valle y luego, por otra cresta. Uno casi puede ver moverse a la onda en forma periódica; esta seguirá viajando hasta que se encuentre con otra onda o con un borde. A este tipo de ondas se las llama Ondas viajeras.La onda viajera más común es la ola del mar.

Actividad:Materiales: -Fichas de dominoSe colocan las piezas en orden a cierta distancia, se le imprime, a la primer ficha, una fuerza generando una propagación de energía sobre la siguiente, y así consecutivamente.

Ondas estacionarias:Se pueden transmitir en una cuerda con los extremos fijos. Cuando una onda alcanza un extremo fijo se refleja originando una onda que viaja en sentido opuesto. Al superponerse la onda original con la reflejada se produce la onda estacionaria.

Características de las ondas:

Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar. Todas las ondas puedan experimentar las siguientes:

Reflexión: Cuando las ondas encuentran un medio que no pueden atravesar (obstáculo) se produce el fenómeno de reflexión. Ejemplo: eco: rebote de las ondas sonoras contra la superficie de separación entre el aire y otro medio (por ejemplo una pared de roca). Este fenómeno d reflexión se utiliza con fines prácticos, en el sonar por los submarinos y otras embarcaciones para localizar obstáculos donde la nave emite una secuencia de ultra sonidos y recoge sus reflexiones (ecos) de los diferentes objetos que pueda encontrar, ya sea el fondo marino, otra embarcación, etc.

Refracción: Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo

medio en el que viaja a diferente velocidad. La energía de la onda trasmitida es menor que la transportada por la onda incidente.

Difracción: Propiedad que permite a los movimientos ondulatorios propagarse en todas direcciones (en forma de abanico) a partir de aberturas en obstáculos. Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo o abertura deja de ir en línea recta para rodearlo. Este objeto o abertura es de dimensiones iguales a su longitud de ondas. En todos los casos se bloquea el paso de una parte del frente de onda. Esta propiedad es la que permite a las ondas “doblar las esquinas”. Por eso podemos oír la conversación de dos personas a la vuelta de una esquina.

Interferencia: es el resultado de superponer distintas ondas, con frecuencia de la misma longitud. Cuando la cresta de una onda se entrecruza con la cresta de de otra onda, sus efectos individuales se suman y producen una onda de mayor amplitud. A esto se lo llama interferencia constructiva.Cuando la cresta de una onda se entrecruza con el valle de otra onda, se reducen sus efectos individuales. Simplemente, la parte alta de una onda llena la parte baja de la otra. A esto se lo llama interferencia destructiva.

La forma de entender la interferencia entre dos ondas es en el agua.Ejemplos de interferencia: las diferencias en la amplitud de un sonido en una sala con mala acústica, los colores en las pompas de jabón y en las manchas de aceite, son algunos ejemplos más comunes de interferencia de ondas sonoras y luminosas respectivamente.

Polarizacion: fenómeno que solo lo presentan las ondas transversales. Una onda es polarizada, si solo puede oscilar en una dirección. La polarizacion de una onda transversal describe la dirección de la oscilación en el plano perpendicular a la dirección del viaje.Ondas longitudinales como las ondas sonoras, no exhiben polarizacion, porque para estas ondas la dirección de oscilación es a lo largo de la dirección de viaje.Es un fenómeno que permite decidir si una onda es transversal o longitudinal.Una onda puede ser polarizada usando un filtro polarizador.

El principio de Huygens es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas. Afirma que todo punto de un frente de onda inicial, puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. Por ejemplo, si dos sitios están conectados por una puerta abierta y se produce un sonido en una esquina lejana de uno de ellos, una persona en el otro cuarto oirá el sonido como si se originara en el umbral. El aire que vibra en el umbral es la fuente del sonido para la persona ubicada en el segundo cuarto.

Onda de choque : ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen formando un cono. Las ondas de choque se producen cuando un objeto se mueve en un medio a una velocidad superior a las ondas que produce.Las ondas generadas por el movimiento del objeto en estas condiciones, nunca se propagan delante de él, sino que lo hacen hacia atrás ya que el objeto se mueve igual o más rápido que ellas. En el caso de los barcos se forma la típica estela en forma de “V”.En los aviones, cuando la velocidad es superior a la velocidad del sonido en el aire se genera una onda de choque, la estela en este caso, sería un cono pues la onda se propaga en el aire en las tres direcciones del espacio. Si el aire es húmedo, la onda de choque puede provocar la condensación de gotas de vapor de agua y formar una nube que la hace visible.

Efecto Doppler : El efecto Doppler es el que se produce cuando una fuente emisora de ondas se mueve con relación al observador. Si se acerca, la longitud de onda se acorta (aumenta la frecuencia) y si se aleja, la longitud de onda aumenta (la frecuencia disminuye).Con las ondas sonoras lo podemos apreciar fácilmente, el sonido de un vehículo que se acerca es más agudo que el que percibimos cuando se aleja.

¿Qué es sonido?

Todos tenemos una idea de lo que es el sonido, puesto que a menudo hablamos del “sonido de un piano”, del “sonido de una campana”, etc. El sonido es un fenómeno físico percibido por el oído. Pero, ¿cómo se produce? ¿Qué lo produce? ¿Cómo se propaga?Por lo pronto, si escuchamos un sonido pensamos que debe haber algo que lo produce. Ese algo es relativamente fácil de encontrar. Si oímos el sonido de una campana, sabemos que él proviene de un golpe dado a la misma. Ese golpe hace vibrar la masa metálica, cosa que podemos comprobar si acercamos el dedo y la tocamos con suavidad; sentiremos un cosquilleo, que indica una rápida vibración.¿Qué pasa si apoyamos fuertemente nuestra mano e impedimos que la campana siga vibrando? Todos hemos hecho alguna vez esa experiencia y conocemos el resultado: el sonido se apaga rápidamente. Es decir, parece que el sonido es causado por la vibración, puesto que terminada esta, el sonido desaparece.

Pensemos en otros casos, para ver si podemos confirmar esta sospecha ¿Cuándo se produce un sonido en el piano? Cuando apretando una tecla hacemos que el pequeño martillo golpee la cuerda produciendo la vibración. Del mismo modo para hacer sonar una cuerda de guitarra o de violín, hay que hacerla vibrar. En todos los casos llegaríamos a la misma conclusión: “El sonido es producido por un movimiento vibratorio” en el vacío las ondas sonoras no se propagan, el sonido es una vibración que se propaga en ondas longitudinales.El sonido necesita de un medio material elástico para propagarse, ese medio puede ser liquido, sólido o gaseoso.Dependiendo de las características físicas y las propiedades del medio será la velocidad a la cuál se propagara.*El material que permite una mayor velocidad de propagación del sonido es el medio sólido como por ejemplo: si apoyamos el oído sobre los rieles del ferrocarril se oirá la vibración producida por el tren; o también si apoyamos el oído en el suelo percibiremos el galope de un caballo que aún no se alcanza a ver.

Actividad: Materiales: 2 latas 1 piolínEl piolín transmite el sonido, con lo cuál puede sostenerse una conversación entre los puntos alejados. El medio material seria el piolin (medio material sólido).

*El agua es un medio líquido capaz de transmitir el sonido; lo hace a menor velocidad que el medio sólido y a mayor velocidad que un medio gaseoso. Ejemplo: un nadador que se encuentra sumergido, puede oír claramente el ruido del motor de una lancha o la conversación de dos personas, o el golpe entre dos piedras. *La velocidad de propagación de una onda sonora en el aire depende de las propiedades del mismo (presión y temperatura) a valores normales de presión y temperatura; la velocidad del sonido es de 343 m/s, si la temperatura del aire disminuye, disminuirá la velocidad de propagación del mismo.

Características del sonido

Reflexión del sonido : Actividad: ¿percibes el sonido del reloj? Materiales: 2 cilindros de cartulina 1 reloj 1 rectángulo de madera

Experimento: Prepara dos tubos de cartulinas, adhiere los extremos de los mismos al rectángulo de madera. En uno de los extremos libres debe colocarse un reloj despertador, y acerca el oído al otro tubo.De esta manera se puede comprobar que el sonido se propaga en medios sólidos, como la madera.

Refracción del sonido : Como ya dijimos antes la onda cuando pasa de un medio a otro cambia su velocidad y su dirección, este es el fenómeno de refracción. Ejem: la propagación del sonido en el aire no es uniforme. Como la velocidad del sonido aumenta con la temperatura; en un día caluroso esta es mayor en las

capas de aire bajas o más próximas a la superficie de la tierra que en las más alejadas.

Difracción del sonido : Cuando el sonido se extiende alrededor de obstáculos se puede encontrar con bordes o aberturas, esto permite que las ondas se dispersen y cambien la curvatura generando la difracción.Aunque podemos oír detrás de las esquinas no podemos ver alrededor de ellas ¿como se explica esto, si tanto la luz como el sonido son ondas?

El “oír detrás de las esquinas” es un fenómeno de difracción del sonido el fenómeno análogo no se aprecia en el caso de la luz , pues para que se produzca difracción se requiere que el tamaño del obstáculo sea similar al de la longitud de onda de la luz visible, que es menor al micrómetro

Interferencia del sonido : Se produce cuando dos ondas de sonido que están viajando en el mismo medio se encuentran, generando que el medio adopte la forma resultante de ambas ondas de sonido.

Resonancia: Es cuando a un sistema se le aplica reiteradamente una fuerza externa, con la frecuencia natural del sistema, aumenta la amplitud de las oscilaciones, estamos frente a un fenómeno de resonancia, el cual puede generar hasta la ruptura de determinados objetos. Ejem: un puente fue derrumbado por una tropa al marchar al ritmo de la frecuencia natural del puente, este vibró con frecuencia doble a la propia y se destruyo. Otro ejemplo es el de la hamaca.

La intensidad: De una onda sonora es una medida de energía que se propaga por unidad de tiempo y por unidad de área. La intensidad se manifiesta en la amplitud de onda.Ejemplo: Si una fuente emisora (parlantes) vibra se genera una onda que avanza en todas las direcciones con una velocidad característica para el medio, transfiriendo energía en una superficie esférica.Si el parlante tiene una potencia de 1000 watts. Emite más energía por segundo que otro de 500 watts. Por ende la intensidad del sonido será mayor.

Para calcular la intensidad se utiliza una formula matemática:

I= P cuya unidad de medida es w/m^2. J

La diferencia en la intensidad de los sonidos permite clasificarlos en débiles y fuertes, dependiendo de la fuerza con que se golpee sobre la fuente emisora, esto genera desigual amplitud. A mayor amplitud de vibración el sonido será mas intenso.

Altura: la altura de un sonido depende de la frecuencia de la onda sonora, esto nos permite clasificar los sonidos en graves y agudos.Podemos entender que a mayor frecuencia de vibración el sonido será más agudo y a menor frecuencia será grave.

El timbre: es la cualidad del sonido que permite distinguir que instrumento lo esta emitiendo.Es lo que permite diferenciar voces, diferentes instrumentos musicales aunque sean iguales en tono e intensidad.Ejemplo: debido a esta cualidad es posible reconocer a una persona por su voz, que resulta de una característica de cada individuo.Una nota emitida por un violín, por ejemplo, suena diferente a la misma nota emitida por una guitarra.

El oído de los humanos y los animales tienen un rango de audición que va de 20hz. hasta 20000hz., por debajo de los 20hz. se encuentra el infrasonido, por ejemplo los sonidos percibidos por los elefantes. Mientras que por encima de los 20000hz. se encuentra el ultrasonido ejemplo: audición de los murciélagos y los delfines.También hay muchas aplicaciones del ultrasonido, el sonar es un radar de ultrasonido que utiliza ondas de radio para detectar e identificar objetos. Muy utilizado en los barcos donde el sonar envía pulsos de sonidos que reflejan en objetos bajo del agua, luego el detector capta los ecos. En medicina la ecografía se utiliza de la misma forma para examinar tejidos y órganos.

Sonido y ruido

Podemos diferenciar el sonido del ruido:El sonido es una sensación agradable. Mientras que el ruido es un sensación sonora generalmente desagradable.En las grandes ciudades, la incidencia del ruido (sonido intenso) alcanza tal gravedad que se habla de contaminación ambiental acústica.

Utilizaciones de ondas

RadaresLa palabra 'rádar' es un acrónimo que resume la frase en inglés "radio detection and ranging". Es el nombre de un sistema capaz de detectar aviones, barcos, lluvia, etc. y conocer y representar la distancia exacta a la que se encuentran. Emite fuertes ondas de radio y tras ser éstas reflejadas en los objetos, un receptor recoge los ecos que éstas provocan. El estudio de las señales reflejadas permite conocer dónde está y, en muchos casos, cuál es el objeto. Las señales de radio son fáciles de capturar y amplificar, a pesar de que la señal recibida sea débil

MicroondasSe llaman microondas todas aquellas ondas electromagnéticas que tienen una frecuencia de entre 300 MHz y 300 GHz. A las ondas de frecuencia menor a 300 MHz se les denomina de UHF (frecuencia ultra elevada). Son utilizadas para la transmisión de la televisión. Las ondas con una frecuencia por encima de 300 GHz están en el límite de la

radiación infrarroja. Las microondas se utilizan en radares, en la comunicación sin cable y en los hornos microondas. En éstas últimas, las microondas provocan calor haciendo vibrar las moléculas de agua que tienen los alimentos.

SatélitesUn satélite artificial es un cuerpo lanzado desde la superficie terrestre que se coloca en orbita alrededor de un cuerpo celeste, como un planeta o un satélite natural. Los satélites de comunicación recién una señal emitida en una determinada localidad, la amplifican y la retransmiten inmediatamente. Esta es recibida y contestada en otra localidad. Así se inicia una comunicación por satélite. Estos mensajes pueden ser también llamadas telefónicas, imágenes de TV y conexiones de Internet.No solo existen satélites para comunicaciones, también hay satélites meteorológicos que aportan datos sobre condiciones climáticas, satélites de navegación que informan sobre posiciones precisas espaciales o geográficas, satélites de observación de la tierra para estudios científicos, satélites militares y satélites antimisiles que protegen de iniciativas bélicas.

EcografiasUna ecografía es un procedimiento de diagnóstico no invasivo (no se perfora la piel) utilizado para evaluar ciertas estructuras de tejido blando, como los músculos, los vasos sanguíneos y los órganos.La ecografía utiliza un transductor que envía ondas sonoras ultrasónicas de una frecuencia demasiado alta para ser oídas. Cuando el transductor se coloca en determinados lugares y ángulos, las ondas sonoras ultrasónicas atraviesan la piel y otros tejidos del cuerpo hasta llegar a los órganos y estructuras internas. Las ondas sonoras rebotan en los órganos como un eco y regresan al transductor. El transductor recoge las ondas reflejadas, que luego son convertidas por una computadora en una imagen electrónica de los órganos o tejidos bajo estudio.