Ondas Mecánicas

Definición

Una onda mecánica es un proceso colectivo que ocurre en un medio como resultado del movimiento individual de las partículas que lo constituyen.

Tipos de Ondas Mecánicas

Onda Transversal

Una onda transversal es aquella en la cual las partículas del medio se desplazan en dirección perpendicular a la dirección de propagación.

• Cresta: Punto en el medio que exhibe el máximo desplazamiento respecto de la posición de equilibrio.
• Valle: Punto en el medio que exhibe el máximo desplazamiento negativo respecto de la posición de equilibrio.

Onda Longitudinal

Una onda longitudinal es aquella en la cual las partículas del medio se desplazan en una dirección paralela a la dirección de propagación.

• Compresión: Punto en un medio con el cual una onda longitudinal está viajando que tiene densidad máxima.
• Expansión: Punto de un medio en el cual una onda longitudinal está viajando que tiene la densidad mínima.

Propiedades de las Ondas

• Amplitud de una onda (A): Máximo desplazamiento de una partícula del medio respecto de su posición de reposo (es la distancia de la posición de equilibrio a la cresta).
• Longitud de una onda (λ): Longitud de un ciclo completo de la onda. Se calcula con la siguiente fórmula:

λ = V / F

• Frecuencia de una onda (F): Ritmo en que las partículas del medio vibran cuando una onda pasa en el medio (número de ciclos completos de vibración de un medio en una unidad de tiempo, el segundo). La fuente es la que determina cuál es la frecuencia de la onda. Se calcula con la siguiente fórmula:

F = 1 / T

• Periodo de una onda (T): Intervalo de tiempo en que una partícula del medio realiza un ciclo vibratorio completo. Se calcula con la siguiente fórmula:

T = 1 / F

• Velocidad de una onda (V): Es la velocidad a la que se desplaza la perturbación y coincide con la velocidad con que se mueven las crestas. No debe confundirse con la velocidad de las partículas del medio. Mientras la frecuencia depende de la fuente emisora de la onda, la velocidad depende solo del material en la que la misma se propaga, por lo que la longitud de onda resulta de esa relación. Se puede calcular con las siguientes fórmulas:

V = λ / T
V = λ x F

Velocidad de Propagación en Diferentes Medios

La velocidad de una onda depende de las propiedades del medio en el que se propaga. Las ondas necesitan de un medio material para propagarse: sólido, líquido o gaseoso.

• Gases: La velocidad del sonido en los gases depende de la presión y de la temperatura. Al aumentar la presión y la temperatura, aumenta la agitación de las moléculas, lo que aumenta la velocidad de propagación del sonido.
• Sólidos: La velocidad del sonido en los sólidos es mayor que en los líquidos y que en los gases, ya que las moléculas de un sólido están más juntas en comparación con los líquidos y gases, por lo tanto, reaccionan propagando más rápidamente la perturbación. La velocidad del sonido en un sólido, depende de la densidad y de la elasticidad. La elasticidad, es la capacidad de un material en cambiar la forma como consecuencia de la aplicación de una fuerza y recuperar su forma original cuando la fuerza desaparece. Por ejemplo: el acero, que es un material elástico, en contraste está la plastilina que es inelástica, cuando esta se deforma no vuelve a su forma inicial.

El Sonido

Definición

El sonido es una onda mecánica longitudinal.

Características del Sonido

• Altura o tono: Esta clasificación está relacionada con la frecuencia de la onda sonora. Los sonidos pueden clasificarse en graves y agudos. Los sonidos de mayor frecuencia tienen un tono mayor. El oído humano percibe sonidos cuyas frecuencias están entre los 20 Hz y 20000 Hz.
• Timbre: Esta característica está vinculada con la forma de la onda sonora. Nos permite distinguir entre dos fuentes sonoras cuando ambas están originando sonidos de igual tono o altura e intensidad.
• Intensidad: Está relacionada con la amplitud de la onda. Nos permite distinguir entre sonidos fuertes y débiles y es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda sonora resultante de la vibración de un cuerpo material. Una magnitud física relacionada con la forma en el que el oído humano percibe las diferencias de intensidad sonora es el decibel (Db).

Fenómenos Ondulatorios

Refracción

Cuando una onda cruza la frontera y se transmite en otro medio con características diferentes, la velocidad de la onda cambia su valor y puede ir acompañada o no de un cambio en la dirección de su propagación.

Ejemplos:

• Cuando las ondas en el agua cruzan zonas de diferentes profundidades (la diferencia de profundidad hace que el agua se comporte como si fueran medios diferentes):
  • a) Frente de ondas plano que inciden perpendicularmente a la frontera entre dos profundidades distintas
  • b) Refracción de un frente de ondas plano que incide en forma oblicua a la frontera entre profundidades diferentes.

Reflexión

Cuando una onda llega a la frontera entre dos medios, una parte de la onda o toda ella, rebota al medio de donde proviene.

Ejemplo:

• Si se ata un resorte a una pared y se emite un pulso, la pared es un medio muy rígido comparado con el resorte, en consecuencia toda la energía regresa por el resorte en lugar de transmitirse por la pared.

Interferencia

Dos ondas pueden ocupar el mismo lugar en el espacio. Estas no transportan materia, sino energía. Cuando dos o más ondas se encuentran en la misma región de un medio, pasan una a través de la otra pudiendo continuar su camino sin alteración.

Ejemplo:

• Si se arrojan dos piedras al agua, las ondas circulares que se forman al encontrarse se superponen de modo tal, que si se cruzan la cresta de una onda con la cresta de otra, los efectos de ambas se suman (INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA). Si la cresta de una onda se superpone al valle de otra onda, sus efectos se reducen (INTERFERENCIA DESTRUCTIVA).

Difracción

Cuando las ondas llegan a bordes de obstáculos o pasan por ranuras o hendijas, se curvan, pudiendo alcanzar puntos que se hallan detrás de los obstáculos o ranuras. Se produce cuando la longitud de onda es comparable al tamaño del objeto y las ondas cubren la parte trasera del objeto.

Las ondas sonoras también se difractan. La difracción es apreciable cuando su longitud de onda es mayor que el tamaño de la abertura de una puerta o los bordes de un obstáculo.

Al difractarse, las ondas alcanzan regiones que no están en su trayectoria directa. La difracción permite que el sonido pueda escucharse desde distintos ángulos detrás de un obstáculo.

Polarización

Cuando una onda se propaga en un único plano.

• Onda polarizada verticalmente: Sucede cuando, por ejemplo, si atamos una cuerda de manera que quede un extremo fijo y la sostenemos del otro extremo que quede horizontal, y se la hace oscilar hacia arriba y abajo, se propagará una onda transversal, es decir los distintos puntos de la cuerda al ser perturbados se moverán verticalmente con respecto a sus posiciones de equilibrio, a medida que la perturbación avanza a lo largo de la cuerda las vibraciones van y vienen en una sola dirección.
• Onda polarizada horizontalmente: Si, por ejemplo en este caso, el extremo libre de la soga se mueve en sentido horizontal, y la perturbación hará que los puntos de la soga se muevan horizontalmente hacia un lado y hacia otro.

Efecto Doppler

Cambio aparente de frecuencia de una onda debido al movimiento relativo entre la fuente y el receptor.

Ejemplos:

• El radar de la policía para medir la velocidad de los vehículos.
• El sonar de los barcos de pesca para detectar bancos de peces.
• Para medir la velocidad relativa de las estrellas.

Resonancia

Cuando a un objeto vibrante se le aplican impulsos sucesivos cuya frecuencia coincide con la frecuencia natural del objeto, de modo que la amplitud de vibración del objeto aumenta notablemente.