Propagación de vibraciones. Ondas mecánicas

Ondas Mecanicas

Propagación de vibraciones. Ondas mecánicas

Se llama onda mecánica a la que se propaga en medios materiales. Un ejemplo arquetípico de onda mecánica es el sonido, que no se transmite en el vacío. Esta cualidad es importante si se compara con las ondas electromagnéticas (como la luz), que se propagan tanto en medios materiales como en el vacío.

Clasificación de las ondas

Las ondas se clasifican segun distintos criterios como:

a) el tipo de perturbación

b) la dirección de vibración

c) el sentido de propagación

a) Naturaleza de la perturbación:

a1. Las ondas mecánicas: son perturbaciones materiales o mecánicas como un golpe, una ruptura o una vibración. Su característica principal es que para propagarse necesitan de un medio material que puede ser un sólido, un liquido o un gas

Ejemplo: una onda sísmica necesita un medio sólido (tierra) para propagarse. El sonido también se propaga, pero su medio normal es el gaseoso (aire)

a2. Ondas electromagnéticas: las perturbaciones son de origen eléctrico y magnético. Las antenas emisoras de radio y televisión son de este tipo. La principal característica de este tipo de onda es que se propagan en el vacío, pero también lo pueden hacer en un medio material.

Ejemplo: la luz visible (en la foto), los rayos X y microondas.

b) Dirección de la vibración:

b1. Las ondas transversales: las partículas se mueven ciclicamente de arriba a abajo. La dirección en que vibran las moléculas del medio material por el que se propaga es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda.

Ejemplo: ondas superficiales en el agua, cuerda de guitarra.

b2. Ondas longitudinales: Estas hacen vibrar a las moléculas del medio en la misma dirección en que se propagan . Ejemplo: sonido emitido por platillos de una batería. Estas perturbaciones hacen que las moleculas de aire oscilen en la misma dirección en que se propaga el sónido.

c) Sentido de propagación:

c1. Ondas viajeras: la onda se propaga partiendo de una fuente y recorre grandes distancias. Ejemplo una onda de radio.

c2. Ondas estacionarias: se forman cuando una onda viajera se refleja invertida respecto de la onda incidente, en un extremo de un medio dado. En este caso ambas ondas se superponen, originando una onda que pareciera estar fija. Ejemplo: una cuerda de guitarra, flautas, el flameo de una bandera.

Las ondas estacionarias no se propagan libremente sino que están confinadas en una región del espacio.

c3. Ondas armónicas: Los pulsos que producen la vibración se suceden con un período fijo, es decir, están espaciadas con igual intervalo de tiempo. A este tipo de ondas se le denominaba periodicas.

Características y propiedades de las ondas

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda () y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión •f = c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.

Siendo las siguientes, las propiedades mas características de las ondas electromagnéticas.

Reflexión y Refracción

Polarización.

Difracción

Superposición e interferencia

Dispersión

Absorción

Interferencia entre dos ondas

Una característica muy importante del movimiento ondulatorio es el fenómeno de interferencia. Esto ocurre cuando dos o más ondas coinciden en el espacio y en el tiempo.

Consideremos dos fuentes S1 y S2 que oscilan en fase con la misma frecuencia angular y amplitudes A1 y A2. Sus ondas esféricas armónicas monocromáticas son:

y1(t) = A1 sen (wt + kr1)

y

y2(t) = A1 sen (wt + kr2)

donde r1 y r2 son las distancias desde cualquier punto a S1 y S2. La amplitud de las ondas en P no tienen la misma amplitud ya que esta disminuye según 1/r.

Cuando comparamos las ondas con la ecuación del MVAS y = A sen (t + ), las cantidades Kr1 y y Kr2 juegan el mismo papel que las fases iniciales.

Entonces el desfasaje entre los dos movimientos ondulatorios en cualquier punto P es:

 = Kr1 – Kr2 = 2/ (r1 – r2)

La amplitud resultante va a ser:

A =

y está comprendida entre (y1 + y2) y (y1 - y2) dependiendo de que sea cos =±1 

 = 2n ó (2n +1) .

En el primer caso tenemos máximo refuerzo de los movimientos ondulatorios, o interferencia constructiva, y en el segundo hay máxima atenuación o interferencia destructiva.

 2n interferencia constructiva  2n interferencia constructiva

 2/ (r1 – r2)

(2n +1)  interferencia destructiva (2n +1)  interferencia destructiva

 n interferencia constructiva

es decir : r1 – r2 =

(2n +1) /2 interferencia destructiva

Cuando r1 – r2 sea igual a , 2, 3...los movimientos se refuerzan. Cuando r1 – r2 sea igual a 1/2, 3/2, 5/2...los movimientos se atenúan. Tendremos una sucesión de superficies nodales y ventrales. r1 – r2 = cte define una hipérbola cuyos focos son S1 y S2

En cada punto del espacio, el movimiento ondulatorio tiene una amplitud distinta dada por:

A =

La razón es que las dos fuentes oscilan con la misma frecuencia y mantienen un desfasaje constante, y se dicen que son coherentes. Si las fuentes no son de la misma frecuencia, o si sus desfasajes cambian en el tiempo, no se observa diagrama de interferencia. Esto es lo que ocurre con fuentes ordinarias de luz.

En el siguiente applet mostramos la suma de dos ondas en las que podemos modificar la diferencia de fase, entre otras cosas. Suma las ondas en fase y en oposición de fase

Se produce interferencia cuando varias ondas coinciden en un mismo punto del medio por el que se propagan. Las vibraciones se superponen y el estado de vibración resultante del punto es la suma de los producidos por cada onda.

Para practicar este concepto hemos diseñado una animación Modellus interactiva. Representa dos estados de vibración armónica simple y su superposición. Se pueden modificar las amplitudes de las dos vibraciones y el desfase entre ellas, comprobando cómo afecta la modificación a la evolución del estado de vibración resultante de su superposición. También se representan tres partículas virtuales que simulan las vibraciones, y el punto del medio vibrante donde se superponen esos dos estados de vibración. Aplicando el desfase adecuado, el usuario puede lograr que ese punto vibre con amplitud máxima (interferencia constructiva) o nula (interferencia destructiva)

Refracción de ondas

En los medios elásticos y homogéneos, las ondas se propagan en línea recta. Ahora bien, la dirección de desplazamiento de los movimientos ondulatorios se modifica cuando la onda llega a la frontera de separación entre dos medios diferentes. En estos casos se producen los conocidos efectos de reflexión, refracción y dispersión de ondas.

Las ondas al llegar a la superficie de separación de dos medios puede ser reflejada o transmitida (refractada o difractada).

La reflexión puede ser parcial o total. Además puede producirse con cambio de fase o no dependiendo de la rigidez de la superficie de separación.

Las ondas transmitidas pueden ser refractadas o difractadas:

Refracción: se da cuando la onda pasa de un medio a otro y se producen cambios en la velocidad y en la dirección de propagación.

Difracción: se produce cuando la onda "choca" contra un obstáculo o penetra por una agujero. La mayor difracción se produce cuando el tamaño del agujero o del obstáculo son parecidos a la longitud de onda de la onda incidente.

Estas propiedades de las ondas sirven para todas las ondas; desde las electromagnéticas (como la luz, o las ondas de radio o los rayos X) hasta las ondas de presión (sonoras) o las ondas en el agua o las producidas por los terremotos

Onda sonora Hemos definido el sonido como la sensación producida en el oído por las vibraciones de las partículas que se desplazan en forma de onda sonora a través de un medio elástico que las propaga.Como el sonido se propaga en forma de ondas, tenemos que saber que características tiene la onda sonora para ver como se comporta.

VELOCIDAD DEL SONIDO

El sonido es un fenómeno físico que resulta de la perturbación de un medio. Esta perturbación genera un comportamiento ondulatorio, lo cual hace que esta se propague hasta llegar al sitio donde se encuentra algún receptor. Este tipo de movimiento en el cual no es el medio en si mismo sino alguna perturbación lo que se desplaza se denomina onda. Existen muchos otros tipos de ondas, tales como las ondas de radio, la luz, la radiación del calor, las ondas sobre la superficie de un lago, los sunamis, los movimientos sísmicos, etc. Cuando la onda tiene lugar en un medio líquido o

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