lunes, 10 de marzo de 2014

MOVIMIENTO ONDULATORIO,ONDAS MECANICAS. TRANSVERSALES,LONGITUDINALES Y SONIDO

                                       MOVIMIENTO ONDULATORIA

El movimiento ondulatorio se mide por la frecuencia, es decir, por el número de ciclos u oscilaciones que tiene por segundo. La unidad de frecuencia es el hertz (Hz), que equivale a un ciclo por segundo.
Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación.
Algunas clases de ondas precisan para propagarse de la existencia de un medio material que haga el papel de soporte de la perturbación; se denominan genéricamente ondas mecánicas. El sonido, las ondas que se forman en la superficie del agua, las ondas en cuerdas, son algunos ejemplos de ondas mecánicas y corresponden a compresiones, deformaciones y, en general, a perturbaciones del medio que se propagan a través suyo. Sin embargo, existen ondas que pueden propasarse aun en ausencia de medio material, es decir, en el vacío. Son las ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas luminosas.
Independientemente de esta diferenciación, existen ciertas características que son comunes a todas las ondas, cualquiera que sea su naturaleza, y que en conjunto definen el llamadocomportamiento ondulatorio, El tipo de movimiento característico de las ondas se denomina movimiento ondulatorio. Su propiedad esencial es que no implica un transporte de materia de un punto a otro. Las partículas constituyentes del medio se desplazan relativamente poco respecto de su posición de equilibrio. Lo que avanza y progresa no son ellas, sino la perturbación que transmiten unas a otras. El movimiento ondulatorio supone únicamente un transporte de energía y de cantidad de movimiento.
Junto a una primera clasificación de las ondas en mecánicas y electromagnéticas, es posible distinguir diferentes tipos de ondas atendiendo a criterios distintos. En relación con su ámbito de propagación las ondas pueden clasificarse en:

  • Monodimensionales: Son aquellas que, como las ondas en los muelles o en las cuerdas, se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio.
  • Bidimensionales: Se propagan en cualquiera de las direcciones de un plano de una superficie. Se denominan también ondas superficiales y a este grupo pertenecen las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él. Atendiendo a la periodicidad de la perturbación local que las origina, las ondas se clasifican en:
  • Periódicas: Corresponden a la propagación de perturbaciones de características periódicas, como vibraciones u oscilaciones que suponen variaciones repetitivas de alguna propiedad. Así, en una cuerda unida por uno de sus extremos a un vibrador se propagará una onda periódica.
  • No periódicas: La perturbación que las origina se da aisladamente y en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas, como en el caso de las fichas de dominó, se denominan también pulsos. Según que la dirección de propagación coincida o no con la dirección en la que se produce la perturbación, las ondas pueden ser:
  • Longitudinales: El movimiento local del medio alcanzado por la perturbación se efectúa en la dirección de avance de la onda. Un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal
    • Transversales: La perturbación del medio se lleva a cabo en dirección perpendicular a la de propagación. En las ondas producidas en la superficie del agua las partículas vibran de arriba a abajo y viceversa, mientras que el movimiento ondulatorio progresa en el plano perpendicular. Lo mismo sucede en el caso de una cuerda; cada punto vibra en vertical, pero la perturbación avanza según la dirección de la línea horizontal. Ambas son ondas transversales.   

                            ONDAS  MECÁNICAS

    • Todas las ondas mecánicas requieren:
  • 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.
  • Viajan de un lugar a otro a través de un medio material, originando una perturbación temporal en este medio, sin que el medio a su ves se transporte de un lugar a otro.
    Se genera por la vibración de las partículas que conforman el medio elástico debido a una perturbación.
    Ejemplos
  •      
  • Las olas del mar                                     Sonidos del aire                       En una cuerda de guitarra






    En la membrana de un tambor

    ELEMENTOS DE UNA ONDA


    Longitud de onda (  L ): en una onda periódica es la distancia entre dos crestas, dos valles o dos nodos no consecutivos.
    Amplitud (A): amplitud del máximo desplazamiento.
    Periodo (T): en una onda periódica es el intervalo del tiempo necesario para formar una onda completa.
    Frecuencia (f): es el numero de ciclos que se forman por unidad de tiempo
    Rapidez de onda (v): magnitud de velocidad de propagación de la onda (depende únicamente de las características del medio).

    VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE UNA ONDA EN UNA CUERDA
    Habrás notado que las guitarras tienen unas clavijas que sirven para aflojar o ajustar las cuerdas. Cuanto más se ajusta una cuerda, más agudo es el sonido que se genera, esto indica que la velocidad de propagación de la onda aumenta conforme aumentamos la tensión en la cuerda.

    También habrás observado que las cuerdas delgadas emiten sonidos más agudos que las gruesas. Para caracterizar esta propiedad usamos la densidad lineal m que se calcula como el cociente entre la masa m y la longitud L de la cuerda.

    La velocidad de propagación de una onda en una cuerda está relacionada con la tensión y la densidad lineal de la cuerda según la ecuación:

    EJEMPLO

    Una cuerda de guitarra tiene una longitud de 0,8 m y una masa de 0,01 kg. La cuerda es sometida a una tensión de 80N. Calcula la velocidad de propagación y la longitud de onda si la cuerda vibra a una frecuencia de 400 Hz.



    Solución:

    Calculamos:
    •La densidad lineal:


    2.La velocidad de propagación:






    3. La longitud de onda:
    ONDAS


    Se podría definir una onda como una perturbación que se propaga por el espacio y que es capaz de transportar energía de un punto a otro, pero no materia.


    El periodo o ciclo (T) de una onda es el tiempo que tarda en tener lugar una vibración completa.
    La frecuencia (f) del movimiento ondulatorio se define como el número de oscilaciones completas o ciclos por segundo (f=1/T). La unidad de frecuencia es el hertzio (hz.), que toma el nombre del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz, 1 Hertz = ciclo por segundo.
    La amplitud es el desplazamiento máximo desde la posición de equilibrio.
    La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o senos consecutivos de la onda. 
    La velocidad de propagación (V) de las compresiones o la velocidad de fase de la onda es igual al producto de la frecuencia por la longitud de onda: v= f.λ. 
    Existen diversas clasificaciones (todas incompletas) para las ondas. En una de ellas hablamos de ondas longitudinales y ondas transversales.




                                    ONDAS TRANSVERSALES

    Las ondas que provocan un movimiento oscilatorio de las partículas del medio de transmisión en dirección    perpendicular a la de propagación se llaman ondas transversales. Tal es el caso por ejemplo de las ondas electromagnéticas y de las ondas S en un medio elástico. Cuando arrojamos una piedra a un estanque,creamos una perturbación que se propaga en el agua.

    Esta situación se muestra en la ilustración de la derecha.

    La onda puede ser descrita por una magnitud A llamada amplitud que varía en función de la distancia x al punto de impacto. Podemos identificar la amplitud A(x) con la distancia que nos indique la variación del nivel del agua respecto de su estado en reposo. Su unidad es el metro (m) en el SI.











                              ONDAS LONGITUDINALES

    La perturbación es perpendicular y tiene la misma  dirección que la propagación.
    Tal es el caso por ejemplo de las ondas de presión en un fluido y de las ondas tipo P en un medio elástico.
    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. Otro ejemplo de estás ondas es el de una onda en un muelle como se muestra a continuación.











    SONIDO

    El sonido es el resultado de una vibración que se transmite por medio de ondas a través del medio en el que se ha producido originalmente.
    Por lo evidente, no nos extraña nada en absoluto la percepción que a diario tenemos en nuestros oídos de aquellos sonidos que se producen en algún punto más o menos alejado de nosotros. Si tenemos en cuenta que el espacio que nos rodea está lleno de aire, es fácil deducir que el sonido tiene la propiedad de desplazarse a través de dicho medio. Sin embargo, a pesar de que los sonidos producidos sean de una magnitud elevada, la distancia que pueden recorrer es relativamente escasa, a lo sumo de algunas centenas de metros, o, en el caso de los más estruendosos y atronadores,varios kilómetros de distancia.
    Como vemos, la distancia que podemos alcanzar transmitiendo un sonido como tal es francamente corta y además depende excesivamente de las condiciones atmosféricas que nos rodeen en el momento de producirlo. 





    La vibración del elástico produce un sonido





                                     CUALIDADES DEL SONIDO

    Generalmente se utilizan cuatro cualidades subjetivas para describir un sonido musical: intensidad, tono, timbre y duración. Cada uno de estos atributos depende de uno o más parámetros físicos que pueden ser medidos.                                                                                                                                   



    Desde el punto de vista de la intensidad, los sonidos pueden dividirse en fuertes y débiles. La intensidaddepende principalmente de la presión sonora (intensidad), pero también del espectro de parciales y de la duración.
    El tono o altura es la cualidad que nos permite distinguir entre un sonido agudo o alto y otro grave o bajo. Para un sonido puro el tono viene determinado principalmente por la frecuencia, aunque también puede cambiar con la presión y la envolvente.
    El timbre de un sonido es la cualidad en virtud de la que podemos distinguir dos sonidos de igual frecuencia e intensidad emitidos por dos focos sonoros diferentes. El timbre se debe a que generalmente un sonido no es puro y depende principalmente del espectro. Pero también depende en gran manera de la envolvente y de la frecuencia.
    La duración física de un sonido y la percibida están muy relacionadas aunque no son exactamente lo mismo. La duración percibida es aquel intervalo temporal en el que el sonido persiste sin discontinuidad.










    VELOCIDAD DEL SONIDO EN DISTINTOS MEDIOS Y EFECTO DOPPLER


    El sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s a temperatura normal (aproximadamente a 20º).
     
    Para que el sonido pueda llegar a nuestros oídos necesita un espacio o medio de propagación, este normalmente suele ser el aire la velocidad de propagación del sonido en el aire es de unos 334 m/s y a 0º es de 331,6 m/s.
     
    La velocidad de propagación es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta y es alrededor de 12 m/s mayor a 20º.
    La velocidad es siempre independiente de la presión atmosférica. Como hemos visto cuando mayor sea la temperatura del ambiente menos rápido llegara el sonido a nuestros oídos, es por eso que algunas personas dicen que "en invierno se suele escuchar mejor" es decir, a mayor temperatura menor respuesta del sonido en el aire.


    MEDIO

    TEMPERATURA (C°)

    VELOCIDAD (m/s)
    Aire
    0
    331,46
    Argón
    0
    319
    Bióxido de Carbono
    0
    260,3
    Hidrógeno
    0
    1286
    Helio
    0
    970
    Nitrógeno
    0
    333,64
    Oxigeno
    0
    314,84
    Agua destilada
    20
    1484
    Agua de mar
    15
    1509,7
    Mercurio
    20
    1451
    Aluminio
    17-25
    6400
    Vidrio
    17-25
    5260
    Oro
    17-25
    3240
    Hierro
    17-25
    5930
    Plomo
    17-25
    2400
    Plata
    17-25
    3700
    Acero inoxidable
    17-25
    5740

    El sonido se propaga a diferentes velocidades en medios de distinta densidad. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases  (como el aire). La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de unos 1.509,7 m/s en el agua y de unos 5.930 m/s en el acero  Un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente.
    Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero el movimiento se propaga a través del medio. Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia.
    No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio.
    El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora.
    El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. El sonido no se propaga en el vacío.






                       El efecto Doppler


    Es el aparente cambio en la frecuencia de un sonido dependiendo de la posición del observador con respecto a la fuente del sonido.
    Por ejemplo, si un observador está enfrente de una ambulancia en movimiento, la frecuencia del sonido la percibirá mayor que si se encuentra detrás de la ambulancia. Esto es debido a que cuando está enfrente le llegan más crestas de onda por segundo que si se encuentra detrás.