Vibraciones y Ondas
1. Introducción y Descripción Física. Conceptos Básicos y Clasificación
Una Onda es una perturbación en la que se propaga energía y no materia a través del tiempo y del espacio.
Por lo tanto la ecuación de la onda depende de 2 variables:
Características de la onda:
La fase de un punto vibrante en un instante dado es su estado de movimiento, definido por la elongación, dirección, sentido y velocidad.
El frente de ondas o superficie de la onda es el lugar geométrico de los puntos que tienen el mismo valor de la perturbación, esto es, que en un instante dado se encuentran en igualdad de fase.
El período , T o t, es el tiempo que tarda la vibración en recorrer un espacio igual a la longitud de onda. Coincide con el tiempo que tarda el punto vibrante en realizar una oscilación completa.
La longitud de onda , l, es la distancia que separa dos puntos consecutivos que tienen igual fase.
La frecuencia, n, es el número de ondas que se propagan en un segundo. Coincide con el número de vibraciones completas realizadas en 1 s. La frecuencia y el período son magnitudes inversas.
La velocidad de propagación de una onda es el cociente entre la longitud de onda y el período, o el producto entre la longitud de onda y la frecuencia:
Clasificación
Por la Magnitud
Ondas Vectoriales
Ondas Escalares
Por el medio material de la propagación
Ondas Materiales
Ondas Electromagnéticas
Por el tipo de propagación
Ondas Unidimensionales
Ondas Bidimensionales
Ondas Tridimensionales
Por la relación dirección de propagación/vibración
Ondas Transversales (Dirección de vibración perpendicular a la dirección de propagación)
Ondas Longitudinales
Por el frente de ondas
Ondas Planas
Ondas Esféricas
Ondas Circulares
2. Ondas monodimensionales armónicas
Teorema de Fourier: Las ondas son periódicas, entonces sea cual sea la onda se puede encontrar sumando o restando ondas armónicas.
El desfase nos señala la diferencia entre distintos estados de vibración, y este ángulo gobierna el estado vibracional de una onda
Hablamos de desfase temporal y de desfase espacial
3. Ondas en tres dimensiones. Estudio energético
Hay una relación entre la energía y la amplitud de una onda
Ondas Unidimensionales
Cómo la amplitud no varía, su energía es constante.
Ondas Bidimensionales
El frente de ondas es circular por lo tanto la amplitud decrece a medida que el área del "círculo" es mayor.
Ondas Tridimensionales
El frente de ondas es esférico por lo tanto la amplitud decrece a medida que el área de la "esfera" es mayor.
Atenuación: En las ondas circulares y esféricas, el efecto observado es una pérdida de amplitud por el mero hecho de propagarse.
Ondas Circulares
Ondas Esféricas
Ondas Monodimensionales
4. Intensidad de una onda. Absorción
Intensidad: es la energía que en la unidad de tiempo (1 segundo) pasa por la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación.
Además, la intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud:
Absorción: Pérdida de energía no debida a la propagación de la onda, sino al rozamiento al atravesar un medio absorbente.
5. Interferencias
Principio de Superposición
El punto dónde se superponen dos o más ondas tendrá una elongación producto de las elongaciones individuales de cada onda
Interferencia Constructiva
La amplitud de la interferencia es del doble de la amplitud de las ondas interferentes.
Interferencia Destructiva
La interferencia no se mueve ya que las ondas se anulan.
6. Ondas estacionarias
Una onda estacionaria es la onda que resulta del encuentro de dos ondas de igual longitud de onda, frecuencia y amplitud, que se propagan en la misma dirección, pero en sentidos opuestos.
Esta nueva onda resultante "da la sensación" de no avanzar, encontrándose estacionada en el espacio, presentando unos puntos inmóviles (nodos) y otros que se mueven de manera que al vibrar alcanzan una amplitud máxima (vientres).
Dicho de otro modo, los nodos representan ondas en fase opuesta, y por ello aparecen inmóviles; en cambio, los vientres son ondas en fase idéntica, con lo que se dobla la amplitud.
7. Principio de Huygens
Cada punto de un frente de ondas es un foco emisor de ondas secundarias o elementales que se propagan con igual velocidad que la onda principal y que se destruyen por interferencia en todos los puntos a excepción de aquéllos situados en una superficie envolvente de ondas elementales en fase que constituye el nuevo frente de ondas.
8. Reflexión y refracción
Se producen cuándo una onda llega a la superfície de separación de dos medios materiales.
Reflexión: El rayo incidente y la normal, junto con el rayo reflejado, son coplanarios (en el mismo plano).
Además los ángulos formados con la normal son los mismos:
Reflexión Total: el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción n1 en el que este se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.
Rayo: Dirección en la que se propaga la energía
Normal: línea imaginaria perpendicular a la separación de ambos medios
Refracción: El rayo refractado, el rayo incidente y la normal están en el mismo plano.
Ley Snell:
9. Difracción y polarización
La difracción es el fenómeno en virtud del cual las ondas se desvían de su propagación rectilínea al encontrarse con un obstáculo o abertura.
Para que se produzca difracción es necesario que el tamaño del obstáculo o abertura sea comparable a la longitud de onda de las ondas que se propagan.
La polarización se define como la restricción en el modo de vibración de una onda mediante medios polarizadores.
10. Efecto Doppler
Cambio aparente de frecuencia que se produce por el movimiento relativo entre el foco y el observador.
Si se acerca el foco, la frecuencia aparente aumenta, si se aleja, disminuye.
11. Ondas sonoras. Características específicas
Tono: Relacionado con la frecuencia y permite distinguir sonidos agudos de graves.
Intensidad: Permite identificar un sonido como fuerte o débil, está relacionado con la amplitud de la onda.
Timbre: Permite distinguir sonidos de la misma amplitud y frecuencia producidas por focos distintos, está relacionado con la forma de las ondas sonoras
12. Ondas luminosas. Características específicas
La luz es una onda electromagnética
Espectro electromagnético: Conjunto de todas variaciones que tienen naturaleza electromagnética (velocidad de 3 × 108 metros por segundo)
(Compuesta por una onda magnética y otra eléctrica).
Cuando la luz viaja por otro medio, no cambia su frecuencia, sino su longitud de onda
Dependiendo de su frecuencia, emite un color
Dentro de espectro visible a menos frecuencia es más rojo y a más frecuencia más violeta.
Colores luz: Vienen de la fuente luminosa
Colores Pigmento: Son producto de un filtro que absorbe frecuencias y sólo deja pasar un color o no deja pasar ninguno y entonces se ve negro (ausencia color)
Colores primarios: Verde Azul Rojo
Colores sustrato: Magenta Cian Amarillo