ONDA

En fsica, una onda consiste en la propagacin de una perturbacin de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presin, campo elctrico o campo magntico, a travs de dicho medio, implicando un transporte de energa sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vaco. La magnitud fsica cuya perturbacin se propaga en el medio se expresa como una funcin tanto de la posicin como del tiempo verifica la ecuacin de ondas: . Matemticamente se dice que dicha funcin es una onda si

donde v es la velocidad de propagacin de la onda. Por ejemplo, ciertas perturbaciones de la presin de un medio, llamadas sonido, verifican la ecuacin anterior, aunque algunas ecuaciones no lineales tambin tienen soluciones ondulatorias, por ejemplo, un solitn.

El movimiento ondulatorio Movimiento vibratorioConsideraremos un cuerpo puntual. Cuando ese cuerpo se mueve en lnea recta en torno a una posicin de equilibrio se dice que tiene un movimiento vibratorio u oscilatorio. Si adems siempre tarda el mismo tiempo en completar una oscilacin y la separacin mxima de la posicin de equilibrio es siempre la misma decimos que se trata de un movimiento vibratorio armnico simple (mvas). Las magnitudes y unidades S.I. que definen un movimiento vibratorio son las siguientes:elongacin (m), amplitud (m), periodo (s),frecuencia (Hz), velocidad de vibracin (m/s) y aceleracin(m/s2). Aunque no estudiaremos cuantitativamente este movimiento, si diremos que en la posicin de equilibrio la velocidad es mxima y la aceleracin nula y que en los extremos la aceleracin es mxima y la velocidad nula.

Tipos de ondaA) Segn la direccin de vibracin de las partculas y de propagacin de la onda. Longitudinales. Son aquellas en que las partculas vibran en la misma direccin en la que se propaga la onda. Ej. El sonido, ondas ssmicas. Transversales. Son aquellas en las que las partculas vibran perpendicularmente a la direccin en la que se propaga la onda. Ej. La luz, onda de una cuerda. B) Segn la dimensin de propagacin de la onda. Unidimensionales. Las que se propagan en una sola dimensin. Ej. Vibracin de una cuerda. Bidimensionales. Las que se propagan en dos dimensiones. Ej. Onda en la superficie del agua. Tridimensionales. Las que se propagan en tres dimensiones. Ej. Luz, sonido. C) Segn el medio que necesitan para propagarse. Mecnicas. Necesitan propagarse a travs de la materia. Ej. El sonido, olas del mar. Electromagnticas. No necesitan medio para propagarse, se pueden propagar en el vaco. Ej. La luz, calor radiante.

Caractersticas de las ondasMagnitudes y unidades S.I. que definen una onda son: Elongacin (y): Distancia de cada partcula vibrante a su posicin de equilibrio (m). Amplitud (A): Distancia mxima de una partcula a su posicin de equilibrio o elongacin mxima (m). Ciclo u oscilacin: Recorrido de cada partcula desde que inicia una vibracin hasta que vuelve a la posicin inicial (m). Longitud de onda (l): Distancia mnima entre dos partculas que vibran en fase, es decir, que tienen la misma elongacin en todo momento (m). Nmero de onda (n): Nmero de longitudes de onda que hay en la unidad de longitud (1/m). l= 1/n. Velocidad de propagacin (v): Velocidad con la que se propaga la onda. Espacio recorrido por la onda en la unidad de tiempo (m/s). Periodo (T): 1) Tiempo en el que una partcula realiza una vibracin completa. 2) Tiempo que tarda una onda en recorrer el espacio que hay entre dos partculas que vibran en fase (s). T=1/f. Frecuencia (f): 1) N oscilaciones de las partculas vibrantes por segundo. 2) N oscilaciones que se producen en el tiempo en el que la onda avanza una distancia igual a l (Hz=ciclos/s). f=1/T. La relacin entre v, l, f y T es: l = v T = v/f.Fenmenos ondulatorios

Reflexin de las ondasSe denomina reflexin de una onda al cambio de direccin que experimenta sta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagacin. Si la reflexin se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusin. En la reflexin hay tres elementos: rayo incidente, lnea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ngulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ngulo de reflexin al formado por la normal y el rayo reflejado. Las leyes de la reflexin dicen que el ngulo de incidencia es igual al ngulo de reflexin y que el rayo incidente, reflejado y la normal estn en el mismo plano.

Refraccin de las ondas

Se denomina refraccin de una onda al cambio de direccin y de velocidad que experimenta sta cuando pasa de un medio a otro medio en el que puede propagarse. Cada medio se caracteriza por su ndice de refraccin. En la refraccin hay tres elementos: rayo incidente, lnea normal o perpendicular a la superficie y rayo refractado. Se llama ngulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ngulo de refraccin al formado por la normal y el rayo refractado. Cuando la onda pasa de un medio a otro en el que la onda viaja ms rpido, el rayo refractado se acerca a la normal, mientras que si pasa de un medio a otro en el que la onda viaja a menos velocidad el rayo se aleja de la normal.

Difraccin de las ondasSe denomina difraccin de una onda a la propiedad que tienen las ondas de rodear los obstculos en determinadas condiciones. Cuando una onda llega a un obstculo (abertura o punto material) de dimensiones similares a su longitud de onda, sta se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Esto quiere decir, que cuando una onda llega a un obstculo de dimensin similar a la longitud de onda, dicho obstculo se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Cuanto ms parecida es la longitud de onda al obstculo mayor es el fenmeno de difraccin.

Interferencias de las ondasSe denomina interferencia a la superposicin o suma de dos o ms ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iniciales. Destructiva: es la superposicin de ondas en anti fase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iniciales.

El sonido Onda longitudinal Cmo se produce el sonido?Son ondas longitudinales que se producen como consecuencia de una comprensin del medio del medio a lo largo de la direccin de propagacin. El sonido, se propaga nicamente en medios materiales que hagan de soporte de la perturbacin, por tanto, no se propaga en el vaco Para que haya sonido deben existir varios elementos: Un foco emisor que produzca las vibraciones. Un medio material elstico que las propaga. Un detector, que en el caso de los seres humanos y el resto de los animales es el odo.

Velocidad de propagacin

El sonido, a diferencia de otras "perturbaciones" que se propagan en medios materiales, lo hace tridimensionalmente, es decir la "perturbacin" llega a cualquier punto del espacio. Por ser una onda mecnica, la rapidez de su propagacin depende del medio de propagacin elstico. La velocidad de propagacin de la perturbacin, depender de la proximidad de las partculas del medio y de sus fuerzas de cohesin. As, la velocidad de propagacin ser mucho mayor en los slidos que en los lquidos, y sobre todo, que en los gases. A la presin normal de 1 atm y 20C, en un ambiente seco, la velocidad del sonido es de 5600 m/s en el acero, 1460 m/s en el agua y 340 m/s en el aire.

Cualidades del sonidoLos sonidos se diferencian unos de otros por sus cualidades fundamentales: Intensidad sonora Tono Timbre Resonancia Reflexin: Eco y reverberacin Refraccin

IntensidadComo todo movimiento ondulatorio, el sonido transporta energa que depende de la vibracin que lo produzca.

La intensidad sonora, I, se define como la energa transmitida por la onda sonora que atraviesa la 2 2 unidad de superficie en cada unidad de tiempo. En el S.I se mide en J/m s o W/m .

Cuanto mayor sea la amplitud de la onda, A, mayor ser su intensidad. Por lo tanto el sonido se oir ms fuerte. La sonoridad es la cualidad que permite distinguir entre sonidos fuertes y dbiles

TonoUna cualidad importante del sonido es el Tono, o lo que es lo mismo la Frecuencia con la que vibran las partculas del medio. Dicha frecuencia determina que un sonido sea Agudo o Grave segn su valor. La velocidad del sonido es constante para cualquier frecuencia, por lo tanto, la longitud de onda, de los sonidos agudos es menor que la de los graves, ya que:

v= fEl odo humano no es sensible a los sonidos inferiores a 20 Hz (infrasonidos) ni a los sonidos superiores a 20.000 Hz (ultrasonidos).

TimbreA travs del timbre somos capaces de diferenciar, dos sonidos de igual frecuenciafundamental (o tono), e intensidad. El timbre es la cualidad del sonido que permite distinguir la misma nota musical (frecuencia) producida por dos instrumentos musicales distintos, por los armnicos que acompaan al tono fundamental. Los armnicos son como rizos de la onda fundamental y su frecuencia es mltiplo entera de ella. En la animacin consideraremos la misma frecuencia o tono (300 Hz) emitido por un diapasn, un tubo sonoro y una cuerda de guitarra (estos ltimos con un timbre caracterstico).

ResonanciaLa resonancia acstica, consiste en la vibracin de un objeto inducido por otro prximo a l. Por ejemplo, el cristal de las ventanillas de un coche vibra cuando pasa un camin. La razn es que algn sonido del ruido que emite el camin al pasar oscila con la misma frecuencia que el cristal es capaz de hacerlo. Cmo se puede romper una copa con la voz?

El sonido de la voz "golpea" la copa y la hace vibrar en resonancia. Si mantenemos el sonido de la voz en el tiempo, la copa recibe cada vez ms "golpes", es decir recibe una onda con la misma frecuencia con la que est oscilando, pero la amplitud de oscilacin aumenta en cada empujn y llega a romper la copa. La resonancia se produce tambin si una frecuencia es mltiplo de la otra.

ReflexinUna onda se refleja (rebota) cuando topa con un obstculo que no puede traspasar ni rodear. No todas las ondas sonoras tienen el mismo comportamiento. Las bajas frecuencias tienen una longitud de onda muy grande, por lo que son capaces de rodear la mayora de obstculos (difraccin), sin embargo, las altas frecuencias no rodean los obstculos, se reflejan (reflexin). En la reflexin, el ngulo de la onda reflejada es igual al ngulo de la onda incidente, de modo que si una onda sonora incide perpendicularmente sobre la superficie reflectante, vuelve sobre s misma. En acstica esta propiedad de las ondas es aprovechada para aislar y dirigir el sonido de un auditorio mediante altavoces o placas reflectoras.

EcoComo todo movimiento ondulatorio, el sonido se refleja y vuelve al mismo medio elstico despus de chocar contra superficies reflectoras. Si el sonido es intenso y la superficie

reflectora est lo suficientemente alejada un mismo observador puede percibir, por separado, el sonido emisor y el reflejado. A este fenmeno se le llama eco. Para or el eco es necesario que ambos sonidos estn separados en el tiempo por 0,1 s (lmite del odo humano para poder or dos sonidos sucesivos). En este tiempo el sonido recorre 34 m, diferencia mnima que debera de haber entre el camino directo y el camino reflejado para poder or el eco. De tal forma que:

r1 + r2 d 34 m ReverberacinLa reverberacin es un fenmeno derivado de la reflexin del sonido.

Se produce en lugares cerrados amplios y vacos. Consistente en una ligera prolongacin del sonido una vez que se ha extinguido el original, debido a las ondas reflejadas. Estas ondas reflejadas sufrirn un retardo no superior a 0,1 s. Cuando el retardo es mayor ya no hablamos de reverberacin, sino de eco En salas de conciertos, teatros y cines se emplean materiales absorbentes para evitar la reverberacin. Sin embargo, una ausencia de reverberacin resta sonoridad y calidad a la msica. De ah que las salas se diseen de forma adecuada para conseguir la mejor audicin.

RefraccinLa refraccin es el fenmeno por el cual las ondas sonoras cambian de velocidad y direccin cuando pasan de un medio a otro diferente. La refraccin tambin puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las caractersticas de ste no son homogneas, cuando de un punto a otro aumenta o disminuye la temperatura. Por ejemplo, por la noche, el aire cercano a la superficie terrestre est ms fro que el que est a mayor altura. Un sonido producido en la superficie se refracta hacia las capas superiores donde su velocidad es mayor. Otra refraccin devuelve el sonido al suelo permitiendo que sea odo a grandes distancias.

Efecto DopplerUn tren circula por un tramo de va recta paralelo a una carretera a 90 Km/h hace sonar su silbato con una frecuencia de 500 Hz. En sentido contrario, acercndose al tren, circula un automvil a 72 Km/h. Con qu frecuencia oir el conductor del coche el silbato del tren? Este efecto fue estudiado por Cristian Doppler, consiste en la variacin del tono de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento.

Contaminacin acsticaSe llama contaminacin acstica al exceso de sonido que altera las condiciones normales del medio ambiente en una determinada zona.

Si bien el ruido no se acumula, traslada o mantiene en el tiempo como las otras contaminaciones, tambin puede causar grandes daos en la calidad de vida de las personas si no se controla adecuadamente. El trmino contaminacin acstica hace referencia al ruido excesivo y molesto, provocado por las actividades humanas (trfico, industrias, locales de ocio, etc.), que produce efectos negativos sobre la salud auditiva, fsica y mental de las personas. Un sonido molesto que puede producir efectos nocivos fisiolgicos y psicolgicos para una persona o grupo de personas.

Aplicaciones de las ondas sonorasLas ondas sonoras tienen muchas y variadas aplicaciones en la actualidad. Msica: produccin de sonido en instrumentos musicales y sistemas de afinacin de la escala. Electroacstica: tratamiento electrnico del sonido, incluyendo la captacin (micrfonos y estudios de grabacin), procesamiento (efectos, filtrado comprensin, etc.) amplificacin, grabacin, produccin (altavoces) etc. Acstica fisiolgica: estudia el funcionamiento del aparato auditivo, desde la oreja a la corteza cerebral. Acstica fontica: anlisis de las caractersticas acsticas del habla y sus aplicaciones. Arquitectura: tiene que ver tanto con diseo de las propiedades acsticas de un local a efectos de fidelidad de la escucha, como de las formas efectivas de aislar del ruido los locales habitados.

La luz Onda transversal Naturaleza de la luzLa luz es una forma de energa emitida por los cuerpos y que nos permite percibirlos mediante la vista. Los objetos visibles pueden ser de dos tipos: Objetos luminosos y Objetos iluminados. La luz que procede de un objeto visible se transmite mediante un movimiento ondulatorio hasta llegar a nuestros ojos. Desde all se enva un estmulo al cerebro que lo interpreta como una imagen. La luz consiste en una forma de energa, emitida por los objetos luminosos, que se transmite mediante ondas electromagnticas y es capaz de estimular el sentido de la vista. Las ondas electromagnticas son transversales, pues las vibraciones de los campos elctrico y magntico se producen en direccin perpendicular a la direccin de propagacin. Las ondas electromagnticas no requieren medio material para su propagacin. Por eso, la luz del Sol llega a la Tierra despus de recorrer una gran distancia en el vaco.

Propagacin de la luz (I)La luz se puede propagar en el vaco o en otros medios. La velocidad a la que se propaga depende del medio. En el vaco (o en el aire) es de 310 8 m/s; en cualquier otro medio su valor es menor. Esta velocidad viene dada por una magnitud llamada ndice de refraccin, n, que es la relacin entre la velocidad de la luz en el vaco y la velocidad en ese medio. No tiene unidades y su valor es siempre mayor que 1.

n es el ndice de refraccin, c es la velocidad de la luz en el vaco y v es la velocidad de la luz en el medio (ambas en m/s). Segn su comportamiento ante la luz, los medios se pueden clasificar en: transparentes, opacos y translcidos.

Reflexin de la luzA menudo observamos nuestra imagen reflejada sobre la superficie del agua o sobre superficies metlicas pulidas. Este fenmeno se conoce como reflexin. Es como si la luz rebotara al llegar a la superficie y volviera a travs del medio original. Para explicar este fenmeno se emplean las leyes de la reflexin: 1.- El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal estn en el mismo plano. 2.- El ngulo de incidencia es igual al ngulo de reflexin: i = r. - Rayo incidente: rayo que llega a la superficie. - Rayo reflejado: rayo que refleja la superficie. - Normal: es la perpendicular a la superficie del espejo en el punto donde toca el rayo incidente. - i: ngulo de incidencia, el que forma el rayo incidente con la normal. - r: ngulo de reflexin, el que forma el rayo reflejado con la normal.

Refraccin de la luzCuando la luz pasa de un medio a otro, su velocidad cambia. Eso hace que pueda variar la direccin del rayo (si no incide de forma perpendicular). El fenmeno se llama refraccin. La direccin del rayo en el nuevo medio se explica mediante las leyes de la refraccin:

1.- El rayo incidente, el rayo refractado y la normal estn en el mismo plano. 2.- Ley de Shell:

n1 sen i = n2 sen rn1 es el ndice de refraccin del primer medio y n2del segundo, i es el ngulo de incidencia y r el de refraccin. Si la luz pasa de un medio de menor ndice de refraccin a otro de mayor ndice de refraccin (por ejemplo, del aire al agua) se acerca a la normal, y cuando la luz pasa de un medio de mayor ndice de refraccin a otro de menor ndice de refraccin (por ejemplo, del agua al aire) se aleja de la normal.

Dispersin de la luzConocemos como luz blanca a la que proviene del Sol. En algunas circunstancias, esa luz se descompone en varias franjas de colores llamadas arco iris. En realidad la luz blanca est formada por toda una gama de longitudes de onda, cada una correspondiente a un color, que van desde el rojo hasta el violeta.

Como el ndice de refraccin de un material depende de la longitud de onda de la radiacin incidente, si un rayo de luz blanca incide sobre un prisma ptico, cada radiacin simple se refracta con un ngulo diferente. La dispersin de la luz consiste en la separacin de la luz en sus colores componentes por efecto de la refraccin. As, las distintas radiaciones que componen la luz blanca emergen separadas del prisma formando una sucesin continua de colores que denominamos espectro de la luz blanca.

El espectro electromagnticoEl espectro es el anlisis de las distintas radiaciones sencillas que componen la radiacin total que nos llega de un cuerpo. Por ejemplo, al color rojo le corresponde una longitud de onda de 400 nm y al color violeta le corresponde otra de 700 nm. Las personas podemos ver la luz, una radiacin electromagntica cuya longitud de onda est comprendida entre esos dos valores. Sin embargo, existen ondas electromagnticas con mayor o menor longitud de onda como los rayos X, la radiacin ultravioleta o la infrarroja. El espectro electromagntico es el conjunto de ondas electromagnticas ordenadas en funcin de su energa. De mayor a menor energa (o de menor a mayor longitud de onda) tenemos: Rayos gamma, Rayos X, Ultravioleta, Visible, Infrarrojo, Ondas de radio y Microondas.