Ondas mecánicas:

¿Qué es?

Una onda mecánica es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio material (posición, velocidad y energía de sus átomos o moléculas) que se propaga en el medio.

Propaga energía mecánica.

Requerimientos para que existan:

-Alguna fuente que cree la perturbación.

-Un medio en el que se propague la perturbación.

-Algún medio físico a través del cual elementos del medio puedan influir uno al otro.

Movimiento ondulatorio:

Los movimientos oscilatorios que se desplazan en un medio reciben el nombre de ondas o movimientos ondulatorios. Estos fenómenos, muy comunes en la naturaleza, se presentan en dos formas principales:

* Las ondas mecánicas, que necesitan un medio material sobre el que propagarse (como el sonido o la transmisión de una onda sobre la superficie de un estanque).

* Las ondas electromagnéticas, que, como la luz, se transmiten en el vacío.

Un movimiento ondulatorio se denomina onda longitudinal cuando las partículas del medio sometidas a la oscilación vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda.

Esta forma de movimiento ondulatorio es característica de la propagación de las ondas de sonido en el aire, en los líquidos no viscosos y en los gases en general, por lo que también reciben el nombre de ondas sonoras.

Las ondas longitudinales son aquellas en que la propagación y la vibración de las partículas tienen el mismo sentido. 

Ejemplos:

El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica, que en los fluidos se propaga como onda longitudinal de presión. Los terremotos, sin embargo, se modelizan como ondas elásticas que se propagan por el terreno. Por otra parte, las ondas electromagnéticas no son ondas mecánicas, pues no requieren un material para propagarse, ya que no consisten en la alteración de las propiedades mecánicas de la materia (aunque puedan alterarlas en determinadas circunstancias) y pueden propagarse por el espacio libre (sin materia).

Clasificación de las ondas

Atendiendo a la forma como se propaga la perturbación, las ondas se clasifican en: 

Ondas longitudinales y Ondas transversales.

Las ondas longitudinales:
Son aquel tipo de ondas que se caracterizan porque las partículas del medio oscilan en la misma dirección en que se propaga la perturbación. Como ejemplo tenemos a las ondas que se propagan en un resorte perturbado con un impulso longitudinal en un extremo.

Las ondas transversales:
Son aquel tipo de ondas que se caracterizan porque las partículas del medio oscilan en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la perturbación. Como ejemplo las ondas que se propagan en una cuerda tensa.

Tipos de ondas:

Ondas longitudinales:

Las ondas en las que la perturbación es paralela a la dirección de propagación se denominan longitudinales. Un ejemplo muy importante lo constituyen las ondas sonoras propagándose en cualquier medio material (sólido, líquido o gaseoso). Durante la propagación de la onda, las moléculas del medio oscilan en la dirección de propagación.

Ondas elásticas:

Una onda elástica es una perturbación tensional que se propaga a lo largo de un medio elástico. Por ejemplo las ondas sísmicas ocasionan temblores que pueden tratarse como ondas elásticas que se propagan por el terreno.

Ondas planas:

Una onda plana o también llamada onda mono dimensional, es una onda de frecuencia constante cuyos frentes de onda (superficies con fase constante) son planos paralelos de amplitud constante normales al vector velocidad de fase. Es decir, son aquellas ondas que se propagan en una sola dirección a lo largo del espacio, como por ejemplo las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de ondas son planos y paralelos.

Ondas gravitacionales: 
Las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-

tiempo.

 

Ondas unidimensionales: 
Las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.

 

Ondas bidimensionales o superficiales:
 Son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él.

 

Ondas tridimensionales o esféricas: 
Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

 

Ondas periódicas: 
La perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.

 

Ondas no periódicas: 
La perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas se denominan también pulsos.

Principios simplificados para su estudio:

-Se supone que el medio de propagación es homogéneo, es decir, que todas las partículas oscilan de forma similar bajo la acción de fuerzas internas.

-Se considera que la frecuencia de todas las partículas del medio sometidas a la oscilación es la misma.

-La velocidad de propagación se supone constante, no dependiente de la frecuencia y tampoco de la dirección de propagación.

Podemos definir la velocidad de propagación de una onda mecánica como la velocidad a la que avanza la perturbación por el medio. En general depende de las propiedades mecánicas del mismo por lo que es constante si estas no varían.

Características de las ondas

 Todo movimiento ondulatorio, al transmitirse presenta las siguientes características:

-La posición más alta con respecto a la posición de equilibrio se llama cresta.

-El ciclo es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.

-La posición más baja con respecto a la posición de equilibrio se llama valle.

-El máximo alejamiento de cada partícula con respecto a la posición de equilibrio se llama amplitud de onda.

-El periodo es el tiempo transcurrido entre la emisión de dos ondas consecutivas.

-Al número de ondas emitidas en cada segundo se le denomina frecuencia.

-La distancia que hay entre cresta y cresta, o valle y valle, se llama longitud de onda.

-Nodo es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

-Elongación es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.

Conceptos de ondas

1.- Frecuencia: se denomina frecuencia a las veces que se produce una oscilación completa por unidad de tiempo, en otras palabras es la frecuencia de repetición y puede expresarse en ciclos/segundo.

2.- Período: es el inverso de la frecuencia, es decir el tiempo que tarda en completar un ciclo completo de movimiento (hacer una repetición).

3.- Longitud: es la distancia entre dos puntos que estén en posiciones iguales en el perfil de la onda. Por ejemplo la distancia entre los dos puntos donde la onda corta al eje central después de completar un ciclo o la distancia entre los puntos mas altos de dos crestas o los mas bajos de dos valles valles

4.- Amplitud: es la distancia desde el punto mas alto (o mas bajo) hasta la linea central de la onda. En otras palabras es la altura de la ola del mar con respecto al nivel del mar en calma.
5.- Velocidad: es la velocidad con que se propaga la onda en el medio donde se produce y es solo aplicable a las ondas viajeras. La velocidad de propagación depende del medio en que la onda se mueva.

Ondas electromagnéticas:

 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 (l) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresiónl·f = c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.

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

-Reflexión y Refracción

- Polarizaciónn

- Difracción

- Superposición e interferencia

- Dispersión

- Absorción

Reflexión y Refracción

Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia,

El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo.

Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.

Ley de Snell

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano. 

Prismas

Cuando la luz atraviesa un prisma un objeto transparente con superficies planas y pulidas no paralelas, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro.

Ángulo crítico

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90°. Con la normal, por lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso.

La reflexión es además la propiedad del movimiento ondulatorio por la que una onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie. 

Las superficies rugosas reflejan en muchas direcciones, y en este caso se habla de reflexión difusa.

Polarización

La luz polarizada está formada por fotones individuales cuyos vectores de campo eléctrico están todos alineados en la misma dirección. La luz normal es no polarizada, porque los fotones se emiten de forma aleatoria, mientras que la luz láser es polarizada porque los fotones se emiten coherentemente. 

Cuando la luz atraviesa un filtro polarizador, el campo eléctrico interactúa más intensamente con las moléculas orientadas en una determinada dirección. Esto hace que el haz incidente se divida en dos haces con vectores eléctricos perpendiculares entre sí. Un filtro horizontal absorbe los fotones con vector eléctrico vertical (arriba). Un segundo filtro girado 90° respecto al primero absorbe el resto de los fotones; si el ángulo es diferente sólo se absorbe una parte de la luz.

Los átomos de una fuente de luz ordinaria emiten pulsos de radiación de duración muy corta. Cada pulso procedente de un único átomo es un tren de ondas prácticamente monocromático (con una única longitud de onda).

Cualquier onda electromagnética puede considerarse como la suma de dos conjuntos de ondas: uno en el que el vector eléctrico vibra formando ángulo recto con el plano de incidencia y otro en el que vibra de forma paralela a dicho plano. Entre las vibraciones de ambas componentes puede existir una diferencia de fase, que puede permanecer constante o variar de forma constante.

Difracción

 Es el fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se extiende después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una rendija estrecha, en lugar de seguir avanzando en línea recta.

La expansión de la luz por la difracción produce una borrosidad que limita la capacidad de aumento útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos. Sólo un microscopio óptico de barrido de campo cercano puede superar el límite de la difracción y visualizar detalles ligeramente menores que la longitud de onda de la luz.

Superposición e Interferencia

 Es el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas (posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales.

Por ejemplo, la interferencia constructiva se produce en los puntos en que dos ondas de la misma frecuencia que se solapan o entrecruzan están en fase; es decir, cuando las crestas y los valles de ambas ondas coinciden. En ese caso, las dos ondas se refuerzan mutuamente y forman una onda cuya amplitud es igual a la suma de las amplitudes individuales de las ondas originales. La interferencia destructiva se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia están completamente desfasadas una respecto a la otra; es decir, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de otra.

En este caso, las dos ondas se cancelan mutuamente. Cuando las ondas que se cruzan o solapan tienen frecuencias diferentes o no están exactamente en fase ni desfasadas, el esquema de interferencia puede ser más complejo.

Interferencia de fuentes puntuales

Este diagrama de interferencias se formó moviendo dos varillas rítmicamente arriba y abajo en una bandeja de agua.

Se pueden observar efectos similares al meter y sacar del agua dos dedos u observando a dos patos nadando en un estanque cerca uno de otro. Las ondas procedentes de una de las fuentes puntuales (la varilla, el dedo o el pato) interfieren con las que proceden de la otra fuente.

Dispersión

Es el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas

Por ejemplo a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire.

Absorción

Es la captación de luz, calor u otro tipo de energía radiante por parte de las moléculas. La radiación absorbida se convierte en calor; la radiación que no se absorbe es reflejada, y sus características cambian. Por ejemplo, cuando la luz solar incide sobre un objeto, suele ocurrir que algunas de sus longitudes de onda son absorbidas y otras reflejadas.

 

Si el objeto aparece blanco, es porque toda o casi toda la radiación visible es reflejada. Pero cuando el objeto presenta un color distinto del blanco, significa que parte de la radiación visible es absorbida, mientras otras longitudes de onda son reflejadas y causan una sensación de color cuando inciden en el ojo. Un objeto que absorbe toda la radiación que incide sobre él se conoce como cuerpo negro.

Todo lo expresado anteriormente se concluirá con el siguiente vídeo esperando lograr un mejor entendimiento

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