VIBRACIÓN Y ONDAS DEFINICIÓN DE ONDA Una partícula realiza un movimiento vibratorio cuando realiza una oscilación alrededor del punto de equilibrio. Un ejemplo de movimiento vibratorio lo constituye la oscilación de un péndulo simple. Las partículas que vibran en un medio material pueden transmitir su vibración a las partículas de su alrededor. Una onda o movimiento ondulatorio es la propagación de un movimiento vibratorio por un medio material. Por ejemplo, si se deja caer una piedra en un estanque se genera un movimiento ondulatorio.

El frente de onda son superficies de tal forma que en todos sus puntos en un instante determinado tenga la misma perturbación de las ondas. Se denomina rayo a la línea perpendicular a los frentes de onda, como se muestra en la figura. En un movimiento ondulatorio se trasmite energía sin transporte de materia. TIPOS DE ONDAS 1.- Según el medio de propagación: Ondas mecánicas: son aquellas que necesitan un medio material para propagarse. Por ejemplo: el sonido, las olas del mar, las ondas que se propagan por un muelle, por una cuerda, etc. Ondas electromagnéticas: son aquellas que no necesitan un medio material para propagarse. Por ejemplo: la luz del Sol, las ondas de radio, los rayos X, etc.

2.- Según la dirección de propagación: Ondas longitudinales: son aquellas en las que la dirección de propagación de las ondas coincide con la dirección de vibración de las partículas individuales. Por ejemplo: el sonido Ondas transversales: son aquellas en las que la dirección de propagación de las ondas es perpendicular a al dirección de vibración de las partículas individuales. Con un muelle de gran longitud podemos obtener los dos tipos de ondas.

Longitudinales

transversales

3.- Según la forma de su frente de onda: Ondas planas Si la onda se propaga en una dirección sus frentes de onda son planas y los rayos son paralelos.

Ondas esféricas Son ondas en tres dimensiones y sus frentes de onda son esferas, los rayos son líneas radiales que salen de la fuente de perturbación en todas las direcciones.

Plana

esférica

CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS UNIDIMENSIONALES Amplitud (A) Llamamos amplitud a la máxima distancia que se separa cada partícula de su posición de equilibrio. En el SI se mide en metros.

Período (T) Es el tiempo que tarda cada partícula individual es describir una oscilación completa. En el SI se mide en segundos.

Frecuencia (f) Es el número de oscilaciones completas que realiza cada partícula en un segundo. En el SI se mide en hercio (Hz). La frecuencia es la inversa del período: f = 1/T

f = 2 Hz Longitud de onda (λ) Es la distancia que separa dos puntos de la onda que se encuentran en el mismo estado de vibración. En el SI se mide en metros.

Velocidad de propagación (V) Indica la distancia recorrida por unidad de tiempo. En el SI se mide en m/s y se puede obtener dividiendo la longitud de onda por el período: λ=v·T

Cuando una onda pasa de un medio de propagación a otro distinto cambia su velocidad de propagación y su longitud de onda pero no su período y su frecuencia que dependen del foco emisor de ondas.

Ejemplo A lo largo de un muelle se producen ondas de frecuencia 20 Hz que viajan a una velocidad de 3´5 m/s. Calcula la longitud de onda y el período del movimiento.

Ejemplo Un movimiento ondulatorio tiene una amplitud de 15 cm, una longitud de onda de 20 cm y una frecuencia de 0´5 Hz.: a) Dibuja un esquema de la onda, b) calcula la velocidad de propagación v = 0,2 · 0,5 = 0,1 m/s = 10 cm/s

Ejercicio1 Una onda se mueve a lo largo de una cuerda con velocidad de 12 m/s y longitud de onda de 90 cm. Calcula frecuencia y período Ejercicio 2 Por una cuerda tensa situada a lo largo del eje OX se propaga, en el sentido positivo de dicho eje, una onda transversal de frecuencia 0´25 Hz. En la figura se muestra la onda en el instante inicial. a)Determina las siguientes magnitudes de la onda: amplitud, longitud de onda y período. b) Dibuja la onda en el instante t = 2 segundos

Ejercicio 3 Por una cuerda tensa situada a lo largo del eje OX se propaga, en el sentido positivo de dicho eje, una onda transversal armónica de frecuencia 1´5 Hz. a) Determina las siguientes magnitudes de la onda: amplitud, longitud de onda y período; b) Halla su velocidad de propagación.

Ejercicio 4 La figura representa una onda transversal de frecuencia 0´5 Hz en el instante inicial (t = 0). Dibuja la onda en el instante t = 3 segundos.

Ejercicio 5 Dibuja dos ondas que tengan: a) la misma amplitud y la misma longitud de onda, b) la misma amplitud y distinta longitud de onda, c) distinta amplitud y la misma longitud de onda Ejercicio 6 Un movimiento ondulatorio tiene una amplitud de 3 metros, una longitud de onda de 1´5 metros y una frecuencia de 0´25 Hz: a) Dibuja un esquema de la onda, b) calcula la velocidad de propagación EL SONIDO El sonido es un movimiento ondulatorio mecánico longitudinal. Se genera por la vibración de un foco emisor que transmite su vibración a las partículas próximas. Por ejemplo cuando se golpea un diapasón vibra y dichas vibraciones se transmiten por el aire. La vibración del diapasón genera compresiones y dilataciones del aire que se trasmiten a las moléculas próximas. Cuando dichas vibraciones llegan al oído se genera una señal que llega al cerebro que las interpreta como sonidos. La velocidad de propagación del sonido depende de la proximidad de las partículas del medio. Por tanto es mayor en los sólidos y en los líquidos y menor en los gases. En el aire la velocidad de propagación del sonido es de 340 m/s y en los metales puede llegar a los 5100 m/s del aluminio.

Las características del sonido El tono: es una propiedad del sonido que permite diferenciar los sonidos graves (de menor frecuencia) de los agudos (de mayor frecuencia).

La intensidad: es una propiedad relacionada con la cantidad de energía que transmite y está relacionada con la amplitud. Los sonidos se clasifican en fuertes (de mayor intensidad) y débiles (de menor intensidad). La intensidad disminuye a medida que nos alejamos del foco.

El timbre: es una propiedad relacionada con la forma de la onda y permite al oído distinguir sonidos que tengan la misma intensidad y frecuencia.

El oído humano solo percibe sonidos que tengan frecuencia entre los 20 Hz y los 20000 Hz, si bien este intervalo disminuye con la edad. Los sonidos con frecuencias superiores a 20000 Hz reciben el nombre de ultrasonido y los que tienen frecuencias inferiores a 20 Hz infrasonidos. Los ultrasonidos tienen muchas aplicaciones prácticas: esterilización de alimentos, diagnosis médicas (ecografías), reconocimiento del fondo submarino y localización de objetos sumergidos mediante el sonar. LA LUZ Las ondas luminosas son ondas electromagnéticas transversales. La velocidad de propagación de la luz en el aire es mucho mayor que la velocidad de propagación del sonido: Vluz = 300.000 km/s Vsonido = 340 m/s El color es una sensación causas en la retina por las ondas luminosas. La luz del sol está formada por una mezcla de luces de diferentes colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta. El color de la luz depende de la frecuencia. El color de los objetos que percibe el ojo depende de la luz que reflejan y no absorben. Por ejemplo, un tomate que recibe la luz del sol absorbe todos los colores excepto el rojo que es el que refleja y llega a nuestros ojos. FENÓMENOS ONDULATORIOS Reflexión y refracción Cuando una onda incide sobre la superficie de separación de dos medios, una parte de la onda se refleja y vuelve por el mismo medio y otra parte de la onda se refracta y se desvía propagarse en el segundo medio.

Por ejemplo, cuando un rayo de luz que viaja por luz incidente el aire incide sobre el agua una parte de la luz se refleja y otra se refracta. En la reflexión se cumple que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de refracción (θi = θr). Observa que el rayo refractado se aproxima, al desviarse, a la línea perpendicular a la separación de los dos medios (normal). La velocidad de la luz en el agua es menor que en el aire y por esto se produce la desviación de la luz. La relación de la velocidad de propagación de la onda en cada uno de los medios es igual que la relación entre los senos de los ángulos de los rayos. Ley de Snell, relaciona el ángulo del rayo incidente con el ángulo del rayo refractado n1 senθi = n2 senθt n es el índice de refracción de cada uno de los medios. Se define como el cociente entre la velocidad de la onda en el medio y la del vacio

Ejemplo Una onda se propaga en el aire con una velocidad de 340 m/s y en el agua con 1500 m/s. calcula el índice de refracción en el agua respecto al aire de dicha onda e indica si la dirección de propagación de la onda se aleja o se acerca a la normal.

vaire sen β = vagua senα sen β > senα β > α se acerca a la normal

Eco y reverberación Supongamos que nos colocamos frente a una pared y damos una palmada. El sonido de la palmada llega a la pared, rebota y regresa a nosotros. Por tanto, a nuestros oídos llegan dos palmadas: la inicial y la reflejada en la pared. En circunstancias normales no se perciben dos sonidos diferentes pero si nos alejamos lo suficiente de la pared (unos 17 metros) podremos escuchar la palmada reflejada (el eco). Para que el oído distinga las dos palmadas es necesario que lleguen separadas, como mínimo, 0´1segundos. Por este motivo tenemos que alejarnos de la pared, para que el sonido de la palmada reflejada tarde más tiempo en llegar al oído. Si el sonido emplea un tiempo inferior a esos 0,1 s en llegar al obstáculo y regresar, el observador no podrá distinguir el sonido original y el producido con la reflexión, produciéndose el fenómeno conocido como reverberación. Ejemplo Para determinar la profundidad de un pozo dejamos caer una moneda desde el borde del pozo y medimos el tiempo que tardamos en percibir el sonido que hace la moneda al golpear el agua. Suponiendo que tardamos 0´3 segundos en percibir el sonido calcula la profundidad del pozo. Dato: Vsonido = 340 m/s En caer es una caída libre S = So + ½ g t En subir el sonido S = So + v·(0,3- t) -

- h = 0 + 4,9t 0 = - h + 340(0,3-t)

4,9t = 340(t-0,3) 4,9t = 102 – 340t 344,9 t = 102 h = - 1,449 m

h= 340 (0,3-t)

t=0,2957s

Ejercicio 7 Indica la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones: a) las ondas mecánicas necesitan un medio para propagarse, b) el sonido viaja más rápido en el aire que en el agua, c) un objeto amarillo absorbe todos los colores menos el amarillo Ejercicio 8 Un rayo de luz que viaja por el aire pasa a viajar por un cristal. Indica cuáles de las siguientes características de la luz no cambian al pasar del aire al cristal: a) frecuencia, b) período, c) velocidad de propagación, d) color Ejercicio 9 Un foco luminoso colocado en el fondo de una piscina emite un rayo de luz azul que incide sobre la superficie del agua. Dibuja los rayos reflejados y refractados. ¿Qué cambiaría si el rayo fuera de color verde? Ejercicio 10 Los perros pueden percibir sonidos muy agudos de frecuencia 100.000 Hz. Calcula el período y la longitud de onda de ese sonido. Dato: Vsonido = 340 m/s.