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Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 1 de 10

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Tema 6. Movimiento ondulatorio

Movimiento ondulatorio

Tipos de ondas

Elementos de una onda

El sonido. Audición

Cualidades del sonido

La luz

Reflexión

Refracción

Espejos

Lentes

Dispersión de la luz

Problemas

Práctica

Para saber mas y ampliar conocimientos: Internet



MOVIMIENTO ONDULATORIO

Qué ocurre con un trozo de corcho que flota en un estanque cuando una piedra cae al agua lejos de él.

Observamos que, al cabo de un rato, el corcho comienza a

moverse. Inicialmente estaba en reposo al igual que la superficie

del estanque pero, al ser alcanzado por la perturbación, comienza

a moverse. La energía que posee se la ha comunicado la onda. Sin embargo el corcho solamente se

mueve de arriba hacia abajo y viceversa, no avanza hacia las orillas.

Es decir un movimiento ondulatorio transporta energía sin que la materia sea transportada.

TIPOS DE ONDAS

Según necesiten o no de un medio material para propagarse:

Ondas materiales o mecánicas necesitan para propagarse de la existencia de un medio material.

Ejemplos: ondas sonoras, las olas en un estanque, las ondas que se propagan por una cuerda...

Escuchamos el sonido de la guitarra porque hay aire capaz de trasmitirlo, una explosión estelar no

podemos escucharla, no existe un medio material que la transmita, no obstante la luz que emite una

estrella o una galaxia llega a nosotros.

Ondas electromagnéticas pueden propagarse en el vacío, sin la existencia de un soporte material. Se

trata de un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares y variables autosostenidos. Ejemplos: la

luz, las ondas de radio, microondas, rayos X...

Según las direcciones de la vibración de las partículas alcanzadas por la onda y la dirección de

propagación de ésta:

Ondas longitudinales: La vibración de las partículas alcanzadas por la perturbación es la misma que la dirección de propagación de la onda. El sonido es de este tipo de ondas.

Ondas transversales: La vibración de las partículas tiene una dirección perpendicular a la de la propagación de las ondas. Las olas de un estanque son de ese tipo.



ELEMENTOS DE UNA ONDA

En una onda se debe distinguir varios elementos:

Antes de seguir adelante conviene definir una serie de conceptos referidos a las ondas.

- Pulso corresponde a la perturbación originada por una oscilación completa del punto donde se

produce la perturbación. Este viaja por el medio por el que se propaga la onda a una cierta velocidad

(constante si el medio es homogéneo).

- Una onda suele estar constituida por una sucesión de pulsos. Cuando la perturbación que la origina es

periódica se puede hablar de trenes de onda que serían el conjunto de pulsos.

- Llamamos período al tiempo que transcurre entre dos pulsos

consecutivos si este es constante, o bien al tiempo en que la partícula del

medio en el que se propaga la onda repite posiciones de forma

consecutiva. Se mide en s en el S.I.

- El número de veces que un punto es alcanzado por la perturbación en la

unidad de tiempo se llama frecuencia. Se mide en Herz (1 Hz = 1 ciclo/s).

- La distancia entre dos pulsos consecutivos se llama longitud de onda, y

se mide en m.

- Se dijo anteriormente que la velocidad de propagación de la perturbación era constante en un medio

isótropo y se puede calcular considerando simplemente la velocidad con que se propaga un pulso. Este

recorre una distancia igual a la longitud de onda en un tiempo igual al período.

v = λ / T = λ f

- Elongación es la separación en cualquier momento, de cada partícula respecto de la posición de

equilibrio.

- Se define como amplitud la elongación máxima de cualquier punto respecto de la posición de

equilibrio.

- Se llama número de onda k al número de longitudes de onda que hay en una distancia 2·3,14 es decir:

k = 2π / λ

También se puede poner como

k = 2πf / λ f = ω / v

En espectroscopia se llama número de onda a la inversa de la longitud de onda.

Es decir un movimiento ondulatorio transporta energía sin que la materia sea transportada.



EL SONIDO

El sonido es una onda material que se produce como consecuencia de la vibración en la fuente sonora.

Es decir se transmite la energía de un cuerpo que vibra. Puede ser un diapasón o nuestras cuerdas

vocales. Esta vibración se transmite a las partículas próximas a la fuente que también oscilan y

transmiten esta energía a las partículas más próximas que se ponen a vibrar.

Así pues se originan en el medio material en que se transmite unas zonas de presiones mas altas

(compresión) y otras de presiones más bajas (enrarecimiento) que se propagan en todas las direcciones

del medio formando frentes de onda esféricos si el medio es isótropo.

Está claro que para que se transmita el sonido es necesario que exista un medio material elástico que lo

transmita por lo que las ondas sonoras son ondas materiales o mecánicas.

Las ondas sonoras son longitudinales, es decir, la dirección de la perturbación en el medio y la dirección

de propagación de la onda coinciden.

En un medio gaseoso, como el aire, la perturbación se produce tan rápido que el proceso transcurre sin

variación de calor, proceso adiabático. La velocidad de propagación del sonido en el aire depende de

factores ambientales aunque se suele considerar de 340 m/s.

En medios líquidos y sólidos la velocidad de propagación es mayor así en el agua es casi de 1500 m/s y

en el acero de 5100 m/s.

Como cualquier onda el sonido tiene longitud de onda, distancia entre dos zonas consecutivas en el

mismo estado de vibración (en este caso presión), periodo es el tiempo empleado por el sonido en

recorrer una distancia igual a la longitud de onda y frecuencia es el número de oscilaciones en la unidad

de tiempo.

Audición:

El sonido se propaga por el aire en ondas de frente

esférico que transmiten las variaciones de presión

del aire al tímpano (membrana que separa el oido

externo del oido medio), éste comienza a vibrar y

transmite esta perturbación a la cadena de

huesecillos que a su vez hacen de puente para la

transmisión al oido interno donde las terminaciones

nerviosas del nervio auditivo comunican una señal que el cerebro decodifica como sonido.



Las ondas sonoras deben estar entre los límites de audición correspondientes a frecuencias entre 20 y

20000 Hz fuera de este rango de frecuencias no percibimos los sonidos. Las de menor frecuencia son los

infrasonidos y las de mayor frecuencia se llaman ultrasonidos.

CUALIDADES DEL SONIDO

Intesidad o volumen depende de la amplitud del movimiento vibratorio. Esta característica del sonido

nos permite distinguir entre sonidos fuertes o débiles.

Sonoridad o Nivel de intensidad sonora se relaciona con la intensidad y como ésta disminuye con la

distancia. Se toma como unidad para medir el nivel subjetivo de sonoridad el fonio o fon. Esta unidad

está definida como la sonoridad de un sonido senoidal de 1000 Hz con un nivel de presión sonora

(intensidad) de 0 dB. Así, 0 dB es igual a 0 fon y 120 dB es igual a 120 fon. Eso siempre para sonidos

sinusoidales con frecuencias de 1000 Hz.

El umbral de audición corresponde (para una frecuencia aproximada de 1000 Hz) a una intensidad (I0) de

10-12

w/m2 mientras que para una intensidad de 1 w/m

2 llegamos al umbral de dolor.

Se establece la escala en decibelios (dB) para medir las intensidades sonoras. Se trata de una escala

relativa en la que se define el nivel de intensidad de sonido β de la siguiente forma: β = 10 log ( I / I0 )

Como se puede deducir los valores de la intensidad sonora serán: en el umbral de dolor 120 dB y en el

umbral de audición 0 dB.

Tono se relaciona con la frecuencia, según el tono se distinguen sonidos agudos y graves.

Los sonidos mas graves tienen bajas frecuencias, están comprendidas entre los 20 y 300 Hz, medias de

300 a 5000 Hz y agudos entre 5000 y 20000 Hz aproximadamente.

Timbre permite distinguir entre dos notas iguales emitidas por instrumentos distintos. Depende de

lasfrecuencias múltiplos o armónicos que acompañan una frecuencia fundamental. Esta cualidad del

sonido nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y tono. La nota LA de la 5ª Octava

tiene una frecuencia de 440 Hz en cualquier instrumento y sin embargo suena diferente en un piano o

en un violín.

En realidad los sonidos son complejos, es decir, contienen muchos armónicos, se pueden determinar

mediante cálculos matemáticos (análisis de Fourier) y análisis espectográficos.



LA LUZ

Todo lo que vemos no es más que la luz emitida o reflejada por los cuerpos. La luz es una onda

electromagnética que, al contrario que las ondas materiales, puede propagarse sin necesidad de que

exista un medio material en el que se propaga.

Esta onda electromagnética es una onda transversal en la que se produce al mismo tiempo una

variación de un campo eléctrico y perpendicularmente a él de un campo magnético. Se dice que se trata

de una onda autosostenida, la variación del campo eléctrico provoca una variación en el campo

magnético y también a la inversa

La luz se propaga en el aire y en el vacío a una

velocidad constante de 3·108 m/s (c) es la máxima

velocidad de la luz, en otros medios su velocidad

es menor por ejemplo en el agua 2,25·108 m/s.

El cociente de la velocidad en el vacío y la

velocidad de la luz en otro medio se llama indice

de refracción y siempre es mayor que la unidad

salvo en el vacío o el aire que vale 1. No tiene unidades puesto que se calcula dividiendo dos

velocidades. Se representa por la letra (n) y su valor es: n = c / v

En cualquier caso hay objetos que emiten luz, fuentes luminosas, otros que simplemente reflejan parte

de la que reciben, objetos iluminados. Además los objetos al llegar la luz a ellos pueden interceptarla, no

dejarla pasar, son los objetos opacos. Dejar que pase a través de ellos, son los cuerpos translúcidos y los

transparentes. Los primeros dejan pasar la luz a su través pero los rayos emergentes no son paralelos a

los incidentes con lo que la imagen queda difusa mientras que en los segundos, al tener los rayos

incidentes y emergentes la misma dirección, podemos ver las imágenes nitidas a través de ellos.

La Óptica estudia la luz. Puede hacerlo desde el punto de vista del estudio de las ondas y hablamos de

Óptica Física o desde el punto de vista de formación de imágenes estudiando las trayectorias de los

rayos luminosos y se trata de la Óptica Geométrica.



REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ

REFLEXION

Cuando una onda viaja por un medio y al llegar a otro no

puede penetrar en él se produce un fenómeno de reflexión.

Este fenómeno sigue las siguientes leyes:

1. El rayo incidente, el reflejado y la normal a la

superficie de separación de los dos medios en el

punto de incidencia, están en el mismo plano.

2. El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son

iguales.

La reflexión de la luz la produce cualquier cuerpo visible

puesto que recordemos que lo que vemos no es mas que luz

reflejada. No obstante esta reflexión puede ser de dos tipos.

Especular o difusa

• Reflexión especular, se produce en superficies muy

pulimentadas, en espejos y en metales, de forma

que los rayos de luz que llegan paralelos se reflejan

y salen paralelos.

• Reflexión difusa se produce en superficies

irregulares de forma que los rayos incidentes

paralelos no tienen por qué ser paralelos tras la

reflexión.

REFRACCION

Cuando una onda cambia de un medio a otro se produce una

variación en la dirección de propagación de la misma si la

velocidad de propagación de las ondas es distinta en los dos

medios. Este fenómeno cumple las siguientes leyes:

• El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la

superficie de separación de los dos medios en el

punto de incidencia, están en el mismo plano.

• Los senos de los ángulos de incidencia y refración

guardan entre si una proporción constante e igual

al cociente entre las velocidades de propagación de

la onda en el medio de incidencia y el de refracción.

La refracción provoca fenómenos como el que hace que al

observar desde arriba una cucharilla dentro de un vaso nos

parezca que está doblada, en realidad se debe a que nuestro

cerebro percibe la luz que llega al ojo como sise propagara en

línea recta.

Los espejismos también se deben a múltiples procesos de

refracción que hacen que la luz sea reflejada y se perciba como

si se tratara de un reflejo del agua sobre el suelo.

En el primer caso el aire caliente, con índice de refracción menor que el frío va haciendo que el rayo

procedente de la copa del árbol vaya formando un ángulo de incidencia cada vez mayor con la capa

siguiente hasta que supera el ángulo límite y es reflejado percibiéndose como si se tratara de un rayo

reflejado en una capa de agua del suelo.

En el segundo caso la luz emitida por los faros del coche sufre el mismo proceso pero a la inversa puesto

que en la noche el aire cercano al suelo está mas frío que el que está mas alto. Se percibe como si el

punto luminoso estuviera en el cielo.



ESPEJOS

Espejos planos provocan una reflexión en la luz y forman una imagen virtual

Espejo esférico puede ser cóncavo o convexo formando la imagen tal y como se indica en la animación

de la izquierda.

Espejo cóncavo

Objeto más alejado del centro de curvatura, imagen real menor e invertida

Objeto sobre el centro de curvatura, imagen real igual e invertida

Objeto entre el centro de curvatura y el foco, imagen real mayor e invertida

Objeto entre el foco y el vértice, imagen virtual mayor y derecha

Espejo convexo

Sea cual sea la posición del objeto la imagen será virtual menor y derecha



LENTES

Están formadas por un medio transparente separado del resto por paredes planas o curvas. Pueden ser

de dos tipos: lentes convergentes y lentes divergentes.

Lente convergente

Todos los rayos que inciden sobre ellas y que son paralelas al eje óptico confluyan en un punto llamado

foco. Por otro lado cualquier rayo que parte del foco, después de atravesarla sale paralelo al eje óptico.

Objeto a distancia mayor que el doble de la focal:

Objeto a una distancia doble de la focal:

Objeto sobre el foco:

Objeto entre la lente y el foco:

Lente divergente

Todos los rayos que entran en ellas paralelos al eje óptico se separan de él y sus prolongaciones

convergen en el espacio objeto en el foco.

Objeto en cualquier posición:

DISPERSION DE LA LUZ

Cuando la luz atraviesa un prisma sufre una doble refracción al entrar en el

prisma y sale de él. Resulta que la luz blanca está formada por muchos colores y

cada uno de ellos tiene un índice de refracción distinto lo que da lugar a que la

refracción que sufre cada uno de ellos también sea distinto con lo que, la luz

blanca que entra en el prisma sale dispersada formando una amplia gama de colores (los del arco iris).

Esta es precisamente la explicación de la formación del arco iris. La luz blanca de los rayos del Sol atraviesa las gotas de lluvia

que al mismo tiempo caen.



PROBLEMAS Y CUESTIONES

1. Una onda se produce cuando una masa unida a un resorte golpea la superficie de un estanque

2 veces cada 1 segundo. Las ondas generadas tardan en llegar desde el foco de la perturbación

a un punto situado a 2 metros del mismo un tiempo de 5 segundos. Determina la velocidad de

propagación de la onda y la longitud de la misma.

2. La nota do tiene una frecuencia de 261 Hz y otra Fa 430 Hz. Calcula la relación existente entre

sus longitudes de onda.

3. Un determinado sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s y en un sólido a 1500

m/s, sabiendo que se trata del mismo sonido indica la relación entre las longitudes de onda en

ambos medios.

4. El índice de refracción de un vidrio es 1,45. Calcula la velocidad de propagación de la luz en él.

5. Explica mediante un dibujo por qué razón se ve un lápiz como si estuviera partido cuando se

introduce en un vaso con agua.

6. Busca información sobre la causa de la formación de un eclipse de Luna y de un eclipse de Sol.

7. Busca información sobre la formación de los espejismos.

8. Busca información sobre la miopía y la forma de corregirla.

9. El astigmatismo. ¿Cómo se corrige?

10. ¿Por qué razón un ruido muy fuerte puede producir sordera permanente?

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