Las ondas mecánicas, que son aquellas ocasionadas por una perturbación y que para su propagación en forma de oscilantes periódicas requieren de un medio material.
Otro tipo de ondas es la llamada electromagnética, esta no necesita de un material para se propagación, pues se difunde aun en el vacío; por ejemplo las ondas luminosas, caloríficas y de radio.
Una onda mecánica representa la forma como se produce una vibración o perturbación inicial, transmitida de una molécula a otra en los medios elásticos. Al punto donde se genera la perturbación inicial se le llama foco o centro emisor de las ondas. Así, cuando una perturbación ocasiona que una partícula elástica pierda su posición de equilibrio y se aleje de otras a las que estaba unida elásticamente, las fuerzas existentes entre ellas originaran que la partícula separada intente recuperar su posición original, produciéndose las llamadas fuerzas restitución. Ello provocara un movimiento vibratorio de la partícula, el cual se transmitirá a las más cercanas, primero y a las más alejadas, después.
Los movimientos ondulatorios son longitudinales cuando las partículas del medio material vibran de manera paralela a la dirección de propagación de la onda, y serán transversales si las partículas del medio material vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Las ondas también se clasifican según la forma como se propaguen, ya sea en una, dos o tres dimensiones. Las principales características de las ondas son su longitud, frecuencia, periodo, nodo, elongación, amplitud y velocidad de propagación.
De acuerdo con la dirección en la que una onda hace vibrar a las partículas del medio material, los movimientos ondulatorios se clasifican en:
Se presentan cuando las partículas del medio material vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda, tal es el caso de las ondas producidas en un resorte, el cual se comporta como un oscilador armónico cuando se tira del cuerpo suspendido en su parte inferior y comienza a oscilar de abajo hacia arriba, produciendo ondas longitudinales.
Al tirar del cuerpo hacia abajo, el resorte se estira y al soltarlo, las fuerzas de restitución del resorte tratan de recuperar su posición de equilibrio; pero al pasar por ella, debido a la velocidad que lleva, sigue su movimiento por inercia comprimiendo al resorte. Por consiguiente, vuelven a actuar las fuerzas de restitución ahora hacia abajo y nuevamente el cuerpo pasa por su posición de equilibrio, sin embargo, por la inercia no se detiene, se estira de nuevo y otra vez actúan las fuerzas de restitución que lo jalan hacia arriba. Estos movimientos de abajo hacia arriba se repiten sucesivamente y el resorte se comporta como un oscilador armónico, generador de ondas longitudinales, pues las partículas del aire que se encuentran alrededor del resorte vibraran en la misma dirección en la cual se propagan las ondas.
Se presentan cuando las partículas del medio material vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Estas se producen cuando se arroja una piedra en un estanque; al entrar en el agua, expulsa el líquido en todas direcciones, por tanto unas moléculas empujan a otras, formándose prominencias y depresiones circulares alrededor de la piedra. Como las moléculas de agua vibran hacia arriba y hacia abajo, en forma perpendicular a la dirección en la que se propaga la onda, esta recibe el nombre de transversal.
En las ondas mecánicas la que se desplaza o avanza es la onda y no las partículas del medio, pues estas únicamente vibran transmitiendo la onda, pero conservan sus posiciones alrededor de puntos más o menos fijos.
Las ondas mecánicas transmiten la energía por medio de la materia, debido a las perturbaciones ocasionadas por ella, pero sin que implique un desplazamiento total de la materia.
Si a una cuerda tensa y sujeta por uno de sus extremos se le da un impulso moviéndola hacia arriba, se produce una onda que avanza por las partículas de la cuerda, estas se moverán al llegarles el impulso y recobraran su posición de reposo cuando la onda pase por ellas. Si la cuerda se sigue moviendo hacia arriba y hacia abajo, producirá un tren de ondas periódico si el movimiento también lo es.
Al dejar caer una piedra en un estanque. Cada circulo representa un frente de onda formado por todos los puntos de la onda con la misma fase, por eso puede decirse que cada punto de un frente de onda es un nuevo generador de ondas.
A partir del centro emisor de las ondas, es decir, del lugar donde cayó la piedra, los diferentes frentes de una onda avanzan al mismo tiempo y con velocidad constante.
Es la línea que señala la dirección en que avanza cualquiera de los puntos de un frente de onda. Cuando el medio en que se propaga la onda es homogéneo, la dirección de los rayos siempre es perpendicular o normal al frente de onda.
Las ondas también se clasifican según la forma en que se propaguen, ya sea en una dimensión (unidimensionales), en dos (bidimensionales), o en tres (tridimensionales).
Son las que se propagan en una sola dimensión o rayo. Tal es el caso de las ondas producidas en una cuerda o un resorte. Ondas lineales, tanto transversales como longitudinal, que avanzan en una sola dimensión.
Son las que se difunden en dos dimensiones, como las ondas producidas en una lámina metálica o en la superficie de un líquido como sucede cuando una piedra cae en un estanque. En estas los frentes de onda son circunferencias concéntricas al foco o centro emisor, las cuales aumentan de tamaño conforme se alejan de él.
Son las que se propagan en todas direcciones, como es el sonido. Los frentes de una onda sonora son esféricos y los rayos salen en todas direcciones a partir del centro emisor. Las ondas electromagnéticas como la luz o el calor también se propagan tridimensionalmente.
Para referirnos a las características de las ondas, nos basaremos en las ondas transversales, la diferencia será que para las ondas longitudinales en lugar de crestas se tienen compresiones y en lugar de valles, expansiones.
Es la distancia entre dos frentes de onda que están en la misma fase. Se representa por la letra griega lambda y se mide en m/ciclo.
Es el numero de ondas emitidas por el centro emisor en un segundo. Se mide en ciclos/s, esto es, en hertz (Hz).
Es el tiempo que tarda en realizarse un ciclo de la onda. El periodo es igual al inverso de la frecuencia y la frecuencia es igual al inverso del periodo.
Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.
Es la distancia entre cualquier punto de una onda y su posición de equilibrio.
Es la máxima elongación o alejamiento de su posición de equilibrio que alcanzan las partículas vibrantes.
Es aquella con la cual se propaga un pulso a través de un medio. Es la velocidad con que se desplazan los frentes de una onda en dirección del rayo. La velocidad con la que se propaga una onda esta en función de la elasticidad del medio; mientras este es mas elástico, la velocidad de propagación será mayor.
La velocidad de propagación es igual al producto de la frecuencia por la longitud de onda. El valor de la velocidad de propagación es constante para cada medio, lo cual significa que para una onda de mayor frecuencia, el valor de longitud debe disminuir, de tal forma que el producto f sea el mismo y viceversa.
La reflexión de las ondas se presenta cuando estas encuentran un obstáculo que les impide propagarse, chocan y cambian de sentido sin modificar sus demás características. Una onda producida en un estanque también se refleja al chocar. El ángulo de reflexión de la onda es igual al ángulo del choque.
Al producirse dos o más trenes de onda al mismo tiempo, en medios elásticos que conservan una proporcionalidad entre la deformación y la fuera restauradora, cada onda se produce en forma independiente. La superposición es el desplazamiento que experimenta una partícula vibrante, equivalente a la suma vectorial de los desplazamientos que cada onda le produce.
La interferencia se produce cuando se superponen simultáneamente dos o más trenes de onda; este fenómeno se emplea para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no.
La interferencia constructiva se presenta al superponerse dos movimientos ondulatorios de la misma frecuencia y longitud de onda, que llevan el mismo sentido.
Al encontrarse las crestas y sumar sus amplitudes se obtiene una cresta mayor y al sumar las amplitudes negativas, en las cuales se encuentran los valles, se obtiene un valle mayor. Por eso, la onda resultante (línea continua) tiene mayor amplitud, pero conserva la misma frecuencia.
Se manifiesta cuando se superponen dos movimientos ondulatorios con una diferencia de fase. Por ejemplo, al superponerse una cresta y un valle de diferente amplitud con una diferencia de fase igual a media longitud de onda, la onda resultante tendrá menor amplitud. Pero si se superponen dos ondas de la misma amplitud con una diferencia de fase equivalente a media longitud de onda, 180°, la suma vectorial de sus amplitudes contrarias será igual a cero, por consiguiente, la onda resultante tendrá una amplitud nula. Esto sucede cuando la cresta de una onda coincide con el valle de la otra y ambas son de la misma amplitud.
Se produce cuando interfieren dos movimientos ondulatorios de la misma frecuencia y amplitud que se propagan en diferente sentido a lo largo de una línea con una diferencia de fase de media longitud de onda. Los puntos de la onda en los cuales la amplitud es nula reciben el nombre de nodos y los que vibran con la misma elongación, antinodos o vientres.
Se presenta cuando estas pasan de un medio a otro de distinta densidad, o bien, cuando el medio es el mismo pero se encuentra en condiciones diferentes, por ejemplo el agua a distintas profundidades. Ello origina que las ondas cambien su velocidad de propagación y su longitud de onda, conservando constante con su frecuencia.
Cuando las ondas pasan a la parte menos profunda la longitud de onda, o sea, la distancia entre una cresta y otra o entre dos valles, es de menor magnitud. Como las ondas en la parte menos profunda se obtuvieron por el avance de las ondas generadas en la parte más profunda, la frecuencia en ambas regiones es la misma y ya que la longitud de onda ha disminuido en la parte menos profunda, la velocidad de propagación también deberá disminuir en la misma proporción para que la frecuencia permanezca constante.
Cuando una onda encuentra un obstáculo en su camino y lo rodea o lo contornea se produce la difracción de ondas. Este fenómeno es más notorio a medida que son mayores las longitudes de onda, y si el tamaño de la abertura por la que atravesara la onda es menor; las ondas generadas en el agua inciden en la abertura.
El sonido es el fenómeno físico que estimula al oído. El sonido se percibe cuando un cuerpo vibra a una frecuencia comprendida entre 15 y 20 000 ciclos/s y llega al oído interno; gama denominada de frecuencias del espectro audible.
Cuando la frecuencia de una onda sonora es inferior al límite audible, se dice que es infrasonica y si es mayor es ultrasónica.
Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales, toda vez que las partículas del medio material vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Como el sonido se transmite en todas las direcciones en forma de ondas, por medio de cualquier material elástico, se trata de ondas tridimensionales o espaciales.
Cuando percibimos un sonido, el medio elástico que se transmite generalmente es el aire, es decir, un gas. Sin embargo, también se transmite en los líquidos como seguramente habrá comprobado al escuchar voces, música u otros sonidos cuando se sumerge en una alberca o rio, así como en los sólidos como placas, barras, rieles, o en las vibraciones de la corteza terrestre cuando se presentan sismos o terremotos.
Un sonido, por intenso que sea, no se propaga en el vacio porque no existe en este un material por el cual se transmita la vibración.
La acústica es la parte de la física que se encarga del estudio de los sonidos. Los fenómenos acústicos, consecuencia de algunos efectos auditivos provocados por el sonido son:
Se produce cuando las ondas sonoras se reflejan al chocar con una pared dura. si el vector de propagación sonoro incide perpendicularmente a una superficie, se refleja en sentido contrario; pero si incide en forma oblicua, los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.
Se origina por la repetición de un sonido reflejado. Una aplicación del eco se tiene al medir la profundidad del mar, usando un aparato llamado sonar.
Se presenta cuando la vibración de un cuerpo hace vibrar a otro con la misma frecuencia. Este fenómeno se aplica en las llamadas cajas de resonancia que tienen algunos instrumentos musicales para aumentar la intensidad del sonido original.
Se produce si después de escucharse un sonido original, este persiste dentro de un local como consecuencia del eco. Se reduce con el empleo de cortinas, o bien, recubriendo las paredes con materiales que absorben el sonido, como el corcho.
Esta cualidad se determina si un sonido es fuerte o débil. depende de: la amplitud de la onda, ya que a medida que esta aumenta, la intensidad también aumenta; de la distancia existente entre la fuente sonora y el oyente, pues a mayor distancia, menor intensidad, y finalmente, la intensidad es mayor si la superficie que vibra también lo es.
La intensidad de un sonido expresa la cantidad de energía acústica que en un segundo pasa a través de una superficie de un centímetro cuadrado, perpendicular a la dirección en la cual se propaga la onda.
El oído humano solo percibe sonidos débiles cuya intensidad sea de 1 * 10¯¹6 watt/cm². La máxima intensidad audible equivale a 1 * 10¯4 watt/cm², nivel denominado umbral del dolor.
El intervalo de intensidades que el oído humano es capaz de percibir es muy grande, por eso se creó una escala logarítmica para medirlas, usando como unidades el Bel (B) y el DeciBel (DB). Dicha escala se fundamenta en la comparación de distintos sonidos, de tal forma que si la intensidad i de un sonido es 10 veces mayor a la intensidad i` de otro. Se dice que la relación entre sus intensidades es de un bel.
Depende de la frecuencia con la que vibra el cuerpo emisor del sonido. A mayor frecuencia, el sonido es más alto o agudo, a menor frecuencia, el sonido es más bajo o grave.
Cualidad que permite identificar la fuente sonora, aunque distintos instrumentos produzcan sonidos con el mismo tono e intensidad. El tono fundamental siempre va acompañado de tonos armónicos llamados sobretonos, estos le dan el timbre característico a un instrumento musical o a la voz.
Consiste en un cambio aparente en la frecuencia de un sonido, durante el movimiento relativo entre el observador y la fuente sonora.
Se aprecia claramente al escuchar la sirena de una ambulancia, pues notamos que el tono se hace agudo a medida que se aproxima y después de hace grave al alejarse. cuando la fuente sonora se acerca al observador, las ondas que emite tienden a alcanzar a las que se desplazan delante de ellas, reduciendo la longitud de onda, o distancia entre cresta y cresta, lo cual provoca un aumento en la frecuencia del sonido; por esta razón se escucha un sonido agudo. al alejarse, la distancia entre crestas aumenta y origina una disminución en la frecuencia; debido a ello se escucha un sonido grave.
Para calcular la frecuencia aparente de un sonido que escucha un observador, tenemos las siguientes situaciones:
a)Cuando la fuente sonora esta en movimiento y el observador se encuentra en reposo. el signo menos de la expresión se utiliza si la fuente sonora se acerca al observador y el signo más, cuando se aleja de él.
b)Si la fuente sonora permanece en reposo y el observador es quien se acerca o aleja de ella. el signo más de la expresión se utiliza si el observador se acerca a la fuente sonora y el signo menos, cuando se aleja de ella.
La corteza terrestre se encuentra sujeta a vibraciones constantes de escasa amplitud, llamadas microsismos, que son imperceptibles para nuestros sentidos pero son registradas por sismógrafos de alta sensibilidad. Un sismógrafo se funda en la inercia de una masa suspendida elásticamente de un bastidor o armazón sujeto al suelo de una manera rígida.
Una estación sismológica requiere cuando menos tres sismógrafos o mas, de ser posible, toda vez que un sismógrafo sensible a las oscilantes de corto periodo no sirve para detectar las de largo periodo y viceversa. El sismograma es el grafico obtenido con los sismógrafos y en él aparecen, en el caso de un sismo, las ondas p en primer término, luego las ondas s y por último las ondas l.
los sismos o terremotos se originan por alguna por alguna de las tres causas siguientes: a) hundimiento o desplome de grandes cavidades subterráneas; b) obturación de los conductos naturales que dan salida a los vapores volcánicos, lo que provoca los llamados golpes de ariete al interactuar térmicamente el vapor con vapor condensado; c) la dislocación o separación de una roca que alcanza su límite de elasticidad y que se encuentra cerca de una falla o grieta de la corteza terrestre, lo que origina la fractura de dicha roca; o bien, cuando se establece un nuevo equilibrio isostático. Según la teoría de la isostasia, la corteza terrestre flota sobre una capa de magma o masa de materiales que se encuentran en estado liquido por su alta temperatura.
Los terremotos de hundimiento pueden producirse en cualquier parte y sus efectos se sienten solo en el lugar donde ocurren. Los terremotos volcánicos generalmente se presentan cuando un volcán se encuentra en un periodo de actividad, aunque no entre en erupción porque en ocasiones, el terremoto es el resultado de una erupción interrumpida. Casi siempre estos terremotos no son muy intensos.
Los terremotos tectónicos son los más numerosos e importantes y ocurren a lo largo de las fallas o grandes fracturas de la corteza terrestre y en las profundas depresiones oceánicas. Las zonas de mayor sismicidad de nuestro planeta son: la costa occidental del continente americano en la cual destaca la republica de chile y las costas asiáticas del pacifico, principalmente Japón.
El punto de la corteza en que se origina el fenómeno recibe el nombre de foco o hipocentro y el punto de la superficie situado respecto a la vertical del hipocentro se denomina epicentro. Cuando se produce un terremoto tectónico, la perturbación que se engendra se propaga en forma de ondas mecánicas clasificadas en tres tipos:
a)Ondas p, internas y longitudinales, que son las primeras en llegar a la superficie en los lugares alejados
b)Ondas s, internas y transversales, que se detectan en segundo lugar
c)Ondas L o largas, que se propagan por la superficie con longitud de onda mayor de las dos anteriores.
La velocidad de propagación de las ondas p y s depende de la elasticidad de la roca y como la velocidad de propagación es mayor si la profundidad también lo es, dichas ondas son refractadas y su trayectoria es cóncava. Las ondas p se propagan a una velocidad que varía en un rango de 7.5 a 14 km/s, las ondas s lo hacen de 4 a 7.5 km/s y las l a unos 4 km/s.
De acuerdo con el tiempo transcurrido entre la llegada de las ondas p, s y l a las estaciones sismográficas, es posible estimar con mucha precisión el lugar del epicentro y la profundidad del foco.
Los sismos intensos abren grietas en el suelo cuya longitud puede ser de varias centenas de kilómetros. También producen hundimientos y levantamientos del terreno. Debido a las vibraciones de las ondas sísmicas y a la indiferencia que se produce entre ellas, muchas construcciones resultan seriamente dañadas y aun se llegan a caer.
Los terremotos cuyo epicentro se localiza en el fondo del mar se llaman maremotos. Cuando estos son muy intensos producen olas muy altas, que al llegar a las costas destruyen embarcaciones e inundan las poblaciones cercanas, provocando enormes pérdidas materiales e incluso humanas.
En muchas ocasiones, un sismo esta precedido por pequeños temblores de tierra, que pueden servir de alarma. Aun no es posible asegurar que los sismos darán como resultado uno de mayor intensidad, certeza que permitirá evacuar casas y edificios y salvar muchas vidas. Después de presentarse un sismo intenso, es común que le sigan otros de menor intensidad denominados replicas o sacudidas secundarias, hasta lograrse un nuevo equilibrio en la parte de la corteza terrestre afectada.
En la ciudad de México, se ha instalado un sistema de alerta sísmica el cual nos avisa con anticipación de unos 50 segundos que ocurrirá un sismo cuyo epicentro se localiza en las costas del estado de guerrero. Un mecanismo de alarma se basa en la amplificación eléctrica de los movimientos relativos entre la masa y el bastidor de un sismógrafo; uno de ellos lleva un imán y el otro una bobina. La acción introductoria del imán genera en la bobina una corriente proporcional a la amplitud del movimiento y hace sonar la alarma, si el sismo es de una intensidad mayor a 6 grados en la escala de Richter.
Los ultrasonidos son engendrados por fuentes sonoras que vibran a una frecuencia superior a 20 000 ciclos/s. el oído humano no puede percibir el ultrasonido porque el tímpano, empujado por la presión de la onda, no dispone del tiempo necesario para recuperar su tensión normal cuando lo requiere la depresión de la onda en sentido contrario y así sucesivamente.
Los perros si perciben los ultrasonidos y los cazadores emplean un silbato que emite ultrasonidos para llamar a estos animales.
Los murciélagos están provistos de un órgano emisor de ultrasonido y otro receptor que funcionan juntos como un radar detector de obstáculos, el cual les permite volar en la oscuridad en medio de los obstáculos, así como detectar a sus presas y atraparlas sin verlas. Los delfines y las ballenas también se comunican entre sí por medio del ultrasonido.
Los aparatos generadores de ultrasonidos basan su funcionamiento en la denominada piezoelectricidad, fenómeno que consiste en producir electricidad en algunos cristales como el cuarzo, cuando son sometidos a presiones o a deformaciones mecánicas. Las ondas ultra sonoras se propagan mejor en el agua y los medios sólidos que en el aire y, como toda onda, se reflejan al chocar con un obstáculo. En el corto espacio existente entre la semionda donde el aire se halla comprimido y la semionda sometida a depresión, se producen diferencias de presión de varias atmosferas, por lo cual estas ondas pueden ejercer efectos mecánicos en la materia finalmente dividida. El ultrasonido tiene múltiples aplicaciones:
a)Sondas para medir la profundidad del mar y detectar submarinos o bancos de peces. actualmente se usa mucho el aparato llamado sonar.
b)Aparatos detectores de deformaciones, agrietamientos, burbujas u otras imperfecciones externas o internas de piezas metálicas o reactores atómicos.
c)Limpieza total de cualquier pieza sucia o grasosa, al lograr que el ultrasonido fragmente y disperse toda suciedad
d)Aplicaciones terapéuticas en las que el ultrasonido permite realizar estudios del cuerpo humano, para detectar tumores o diferentes irregularidades en los órganos, a fin de atender oportunamente una enfermedad curable. el ultrasonido también se emplea para verificar que el feto se está desarrollando sin peligro y para conocer el sexo del futuro recién nacido.
1.-Son aquellas ocasionadas por una perturbación y que para su propagación en forma de oscilantes periódicas requieren de un medio material.
2.-Se presentan cuando las partículas del medio material vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda
3.- Se presentan cuando las partículas del medio material vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
4.- Es la línea que señala la dirección en que avanza cualquiera de los puntos de un frente de onda.
5.- Son las ondas que se propagan en una sola dimensión o rayo.
6.- Son las ondas que se difunden en dos dimensiones
7.-Son las ondas que se propagan en todas direcciones, como es el sonido.
8.-Es la distancia entre dos frentes de onda que están en la misma fase.
9.- Es el numero de ondas emitidas por el centro emisor en un segundo.
10.-Es el tiempo que tarda en realizarse un ciclo de la onda.
11.- Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.
12.- Es la distancia entre cualquier punto de una onda y su posición de equilibrio.
13.- Es la máxima elongación o alejamiento de su posición de equilibrio que alcanzan las partículas vibrantes.
14.-Se produce cuando las ondas sonoras se reflejan al chocar con una pared dura.
No hay comentarios:
Publicar un comentario