GUÍA DE FÍSICA “ONDAS” 2020

NOMBRE:……………………………………………………………………CURSO: PRIMERO MEDIO…………….

Objetivo: - Internalizar el concepto de onda

- Distinguir los diferentes tipos de ondas

- Conocer las características de las ondas

Las ondas

Ya dijimos que la televisión, el teléfono y toda forma de comunicación a distancia son posibles gracias a la energía que transportan las ondas. Pero, ¿cómo lo hacen? ¿cómo puedes conversar con otra persona que está en otro extremo del planeta?, ¿cómo viaja la información satelital desde el otro lado del mundo?, ¿cómo puede viajar tan rápidamente la información sobre cualquier tema que consultes en internet?

- Clasificación de las ondas

En términos generales, una onda es el fenómeno que resulta al ser perturbadauna determinada región del espacio desde donde se propaga dicha perturbación, a través de un medio. Es importante destacar que las ondas transportan energía pero no materia. Para comprender mejor el mundo de las ondas es necesario establecer un orden basado en criterios que nos permitan reconocer semejanzas y diferencias entre ellas. Los criterios de clasificación que revisaremos son: naturaleza de la emisión, dirección de oscilación de las partículas y sentido de propagación de la onda.

Naturaleza de la emisión de las ondas

De acuerdo a la naturaleza de la emisión, es decir, a la forma cómo se emiten, las ondas se clasifican en mecánicas y electromagnéticas.

- Ondas mecánicas.

Las ondas mecánicas son las que utilizan un medio material para propagarse,que puede ser un sólido, un líquido o un gas. El sonido es un ejemplo de onda mecánica. Las ondas mecánicas son como las olas del mar que necesitan del agua para viajar, pues vemos que al llegar a la orilla de la playa no siguen avanzando por la arena. Algunas de las características del medio como la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura, influyen en la rapidez y en la propagación de las ondas mecánicas. ¿Cómo se propagan lasondas mecánicas? Como sabes, la materia está formada por átomos y moléculas. Cuando una onda llega hasta una molécula, esta oscila mientras la onda pasa, entregando parte de su energía a la molécula siguiente. De esta manera se va transmitiendo la energía de la onda de una a otra molécula del medio material.

- Ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son aquellas que no necesitan de un medio material para propagarse, es decir, pueden viajar por el vacío. También puedendesplazarse en medios materiales, pero al propagarse no hacen vibrar sus moléculas. Las ondas electromagnéticas se desplazan debido a la acción de campos eléctricos y campos magnéticos que actúan coordinadamente, transportando la energía de la onda. Son ejemplos de ondas electromagnéticas, las ondas de radio, las microondas, los rayos ultravioleta y la luz visible. Las ondas electromagnéticas viajan con la increíble rapidez de 300.000 km/s.

Muchos de los avances tecnológicos actuales utilizan ondas electromagnéticas.Es el caso de la radio, la televisión, los teléfonos, el horno microondas, el alumbrado y los rayos x. estas ondas pueden ser agrupadas de acuerdo a su rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como espectro electromagnético.

- Dirección de oscilación de las partículas del medio

Cuando una onda atraviesa por un medio, las partículas que lo componen se mueven realizando oscilaciones en diferentes direcciones. Dependiendo de cómo se muevan dichas partículas, las ondas se clasifican en transversales y longitudinales.

- Ondas transversales

Supongamos que nos metemos al mar un poco más adentro de donde rompen las olas. Vemos que la onda (ola del mar) se propaga hacia la arena, pero cuando pasa por nosotros, sentimos que nuestro cuerpo se mueve hacia arriba y luego hacia abajo. Nuestro cuerpo, al igual que todas las moléculas de agua que lo rodean, tiene un movimiento perpendicular a la propagación de la ola. De la misma forma que en las olas del mar, en las ondas transversales las partículas oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Esto significa que si una onda avanza por el medio en sentido

horizontal, las partículas se desplazan de un lado hacia el otro, en torno a su posición de equilibrio, en sentido vertical.

En el caso de las ondas electromagnéticas, los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación y también son perpendiculares entre ellos, por lo tanto, las ondas electromagnéticas también son transversales.

- Ondas longitudinales

En las ondas longitudinales las partículas oscilan en la misma dirección que la propagación de la onda. Esto significa que si la onda avanza hacia delante, las partículas del medio vibran hacia atrás y hacia delante, en torno a su posición de equilibrio. El ejemplo más cercano es cuando se pulsa la cuerda de una guitarra, la cuerda al vibrar genera rápidas compresiones y expansiones en el aire que las rodea. Las moléculas del aire oscilan en la

misma dirección que avanza el sonido dando lugar a ondas sonoras longitudinales en el aire.

- Sentido de propagación

De acuerdo al sentido en que avanza la propagación, las ondas pueden ser clasificadas en viajeras o estacionarias

- Ondas viajeras

La luz que nos llega del sol viaja desde esta estrella hasta nosotros, pero no se devuelve. A este tipo de ondas se les llama ondas viajeras. En ella la propagación de la onda se realiza en un sentido único. Es decir, ellas viajan siempre hacia el mismo lugar sin devolverse. Por ejemplo, las ondas de televisión que emite la antena de un canal en Santiago se propagan desde la antena hacia tu televisor y todos los demás televisores (receptores) de la ciudad o del país. Las ondas viajeras se expanden libremente por el espacio o por su medio pudiendo, en algunos casos, recorrer grandes distancias como lo hace la luz a través del Universo.

- Ondas estacionarias

Las ondas estacionarias resultan de dos ondas viajeras que se propagan en sentidos contrarios. U7na onda estacionaria se forma cuando una onda viajera incide sobre un punto fijo, obligándola a devolverse pero invertida respecto de la primera. Ambas ondas, la incidente y la reflejada, se combinan en forma precisa, dando origen a una nueva onda que pareciera estar detenida con lugares de vibración nula, llamados nodos y lugares de vibración máxima, llamados antinodos. Este tipo de ondas se producen en los instrumentos musicales de cuerda como la guitarra y algunos de viento como la zampoña.

- Elementos de una onda periódica

Aunque existen distintos tipos de ondas, todas tienen características comunes. Como es más sencillo reconocer los componentes de una onda transversal, la usaremos como ejemplo. Sin embargo, el análisis es igualmente válido para una onda longitudinal.

- Velocidad de propagación

Supongamos que atamos una cuerda a un punto fijo y la tomamos por el otro extremo y realizando un movimiento con la mano hacia arriba y luego hacia abajo, es decir, un movimiento rápido en forma vertical con la mano, podremosobservar un pulso (o perturbación) que viaja desde un extremo a otro de la cuerda. Si luego mantenemos el movimiento vertical de la mano, de manera

constante, aparecerá la forma típica de las ondas viajeras llamada sinusoide. Este movimiento ascendente y descendente se transmite a través de la cuerda con la energía suministrada por la fuente generadora (la mano) y se propaga con una velocidad típica, llamada velocidad de propagación.

- Amplitud

La onda periódica está compuesta por una serie de lomos llamados montes (crestas) y una serie de depresiones llamadas valles (senos). Así, al propagarse la onda se van alternando montes y valles formando una sinusoide.Podemos trazar un eje imaginario por el centro de la onda, donde estaría la posición de equilibrio de todas las partículas. En la sinusoide, el desplazamiento de una partícula respecto de su posición de equilibrio recibe el nombre de elongación. La máxima elongación que alcanzan las partículas se denomina amplitud (A) de la onda. La amplitud representa la cantidad de energía de una onda.

- Periodo y longitud de onda

En las ondas periódicas, las oscilaciones de las partículas se producen a intervalos regulares de tiempo. Este tiempo se conoce como periodo de oscilación. El periodo de oscilación de las partículas determina el periodo (T) de la onda. A medida que transcurre el tiempo, la onda se propaga recorriendo siempre la misma distancia en cada periodo. Cuando la onda se propaga, su forma se va repitiendo regularmente. La longitud de onda es la distancia que hay entre dos puntos equidistantes y consecutivos de una onda, como dos montes, dos valles u otros puntos. La longitud de onda se denota con

la letra griega lambda (λ). Resulta muy importante tener presente que en las ondas periódicas cada vez que se cumple un periodo, o ciclo temporal, también se cumple un ciclo espacial que corresponde a la longitud de onda.

Observación: El valor del cociente entre la distancia recorrida (d) y el tiempo (t), en cualquier movimiento uniforme, es lo que llamamos velocidad (v). Es decir:

V=dt

Como una onda avanza siempre la misma distancia en cada periodo, la relacióndistancia tiempo se mantiene constante. En otras palabras, la onda avanza convelocidad constante.

La ecuación que define la velocidad sufre leves variaciones en los fenómenos ondulatorios: la distancia corresponde a la longitud de la onda (λ) y el tiempo es el periodo T), con lo cual la ecuación resulta:

v=λT

Si medimos la longitud de onda en metros, y el periodo en segundos, la velocidad de propagación de la onda se expresa en m/s.

Como recordamos de las oscilaciones, la frecuencia (f) es el inverso del periodo (T). Vale decir, f = 1/T con lo que resultan las siguientes equivalencias:

V=λT

= λ ∙1T

= λ ∙ f

Entonces: V=λ ∙ f

Recordemos que por frecuencia se entiende el número de periodos que tienen lugar en la unidad de tiempo, que es el segundo. Así, cuando hablamos de una onda cuya frecuencia es de 1.000 ciclos, queremos decir, en 1 segundo, recorremil ciclos.

-Propiedades de las ondas

Una onda viajera se propaga por un medio. Pero si este medio tiene límites o fronteras, la onda puede comportarse de diferentes formas al llegar allí. En términos generales, en la frontera entre un medio y otro, una parte de la onda se devuelve por el mismo medio (reflexión) y otra parte pasa hacia el nuevo medio material (transmisión). Sin embargo, la porción de onda que se refleja y la porción que se transmite depende del tipo de onda que llega (incidente) y de las características del nuevo medio material. En este proceso no hay pérdida de energía, ya que la suma de la energía de la onda reflejada y de la onda trasmitida es igual a la energía que traía la onda incidente.

- Reflexión de ondas

Supongamos que cuando la onda llega a la frontera, el nuevo medio material no permite que siga propagándose. Entonces la onda regresa porel mismo medio que venía, es decir, se refleja. La onda puede seguir la mismadirección con que venía, pero en sentido contrario, o puede cambiar de dirección después de chocar con el nuevo medio.

- Transmisión de ondas

Analicemos ahora la posibilidad de que el nuevo medio material si permita el ingreso de la onda. Cuando una onda se propaga a través de un medio, lo hacecon una rapidez determinada por algunas características del medio, pero si este cambia, entonces su rapidez cambia. La onda del nuevo medio es generada directamente por la onda del medio anterior, por lo que la nueva onda mantiene algunas de sus características y modifica otras. Ya vimos que la velocidad está dada por la ecuación V = λ ∙ f. Por lo tanto, si la frecuencia se mantiene constante, cualquier aumento de la velocidad se traduce en un aumento de la longitud de onda, y viceversa. Cuando una onda se transmite a través de un nuevo medio puede ocurrir que la onda se refracte.

- Refracción de ondas

Hasta ahora hemos considerado que la onda incide perpendicularmente sobre la superficie del nuevo medio. Pero si la onda incidente llega formando un ángulo respecto a la perpendicular, entonces al transmitirse al otro medio cambiará la dirección de su propagación. Este fenómeno es conocido como refracción y es habitualmente perceptible en las ondas luminosas. Se dice que los rayos de luz se “quiebran” al cambiar de medio.

- Absorción de ondas

El fenómeno de absorción consiste en que la onda al incidir sobre ciertos materiales sufre una reflexión mínima y la mayor parte de la energía de la onda transmitida se disipa. Un ejemplo conocido es la razón por la que los cines generalmente se revisten con alfombras y espumas que “absorben” el sonido.

- Superposición de ondas

Cuando dos ondas viajan por el mismo medio en sentido contrario puede ocurrir que pase una a través de la otra sin destruirse o ni siquiera alterarse. Pero si ellas se traslapan, se obtiene una onda que resulta de la acción de ambas. Este fenómeno es conocido como superposición de ondas. Esto significa que cuando dos o más ondas se encuentran, las elongaciones de cada una de ellas se suman algebraicamente dando origen a una onda resultante obtenida a partir de dos o más ondas componentes. Las ondas que interactúan en el medio pueden tener una diferencia de fase entre sí. Esto ocurre cuando se genera una onda primero y la otra después. Lo anterior sucede si la fuente emisora modifica los ciclos espaciales y temporales de dos o más ondas. Si los ciclos coinciden, se dice que las ondas están en fase. En el

caso de las ondas estacionarias, las ondas están desfasadas y un está invertidarespecto de la otra.

Mapa conceptual