Movimiento Vibratorio Armónico Simple (MVAS)

El MVAS es un movimiento rectilíneo, variado no uniformemente, y originado al proyectar sobre un diámetro las distintas posiciones de un punto móvil que recorre una circunferencia con movimiento circular uniforme.

Elementos del MVAS:

• Vibración completa o ciclo: Es el movimiento desde un punto de la trayectoria al mismo punto después de haber dado una vuelta completa.
• Periodo: Tiempo transcurrido en un ciclo completo.
• Frecuencia: Número de vueltas por segundo.
• Elongación: Distancia que en un instante dado separa el punto oscilante de la posición de equilibrio.
• Amplitud: Valor máximo de la elongación.
• Fase: Es el ángulo descrito por un punto P en un determinado tiempo.
• Pulsación: Velocidad angular constante a la que un punto describe la circunferencia.
• Desfase: Ángulo descrito por el punto móvil antes de empezar a contar el tiempo.

Péndulo Simple

El péndulo simple consiste en una pequeña esfera de una sustancia muy densa suspendida de un hilo fino, resistente y de masa despreciable. Al separar la bola de la posición de equilibrio y abandonarla a su suerte, se ve que oscila de un lado a otro. Este movimiento de pequeña amplitud puede considerarse un MVAS.

El movimiento pendular es debido al peso de la bola que se puede descomponer en:

• F = P · cos(α) = m · g · cos(α), que es la fuerza que mantiene el hilo tenso.
• F = P · sen(α) = m · g · sen(α), que es la fuerza que origina el movimiento oscilante del péndulo.

Movimiento Ondulatorio (MO)

Se define MO como la propagación de un movimiento vibratorio en el seno de un medio elástico, a través de sus moléculas, las cuales vibrando y obligando a vibrar a las más próximas transmiten la vibración desde el centro a grandes distancias.

Conceptos básicos:

• Onda: Es toda perturbación que se propaga.
• Perturbación: Es toda deformación producida en un medio. Las perturbaciones pueden ser instantáneas (una sola = pulso) o continuas (varias = tren de pulsos).
• Frente de ondas: Lugar geométrico resultante de unir todos los puntos alcanzados por la perturbación en el mismo instante.
• Génesis de una onda: Son los distintos estados por los que pasa una onda antes de formarse.

Clasificación de las Ondas:

Según el medio donde se propagan:

• Ondas mecánicas o materiales: Necesitan de un medio material para propagarse.
• Ondas electromagnéticas: Se propagan en los medios materiales y en el vacío.

Según la dirección de propagación:

• Ondas longitudinales: Cuando la dirección de las partículas coincide con la de propagación de la onda.
• Ondas transversales: Cuando la dirección de propagación de la onda es perpendicular a la de vibración de las partículas.

Según el frente de ondas:

• Monodireccionales: Avanzan en una sola dirección.
• Circulares: Avanzan formando circunferencias concéntricas.
• Esféricas: Avanzan formando esferas concéntricas.
• Planas: Son ondas en las que el foco está muy lejos y podemos considerar que el frente de onda es plano.

Magnitudes de las Ondas:

• Longitud de onda (λ): Es la distancia entre dos máximos o dos mínimos.
• Periodo (T): Es el tiempo que tarda el punto móvil en recorrer una λ.
• Frecuencia (ν): Es el número de λ recorridas en un segundo.
• Velocidad angular (ω): Es la velocidad angular con que el punto auxiliar da vueltas a la circunferencia.
• Velocidad de propagación de la onda (v): Espacio recorrido por la onda en un segundo.
• Constante de propagación (k): Es el número de λ contenidas en una distancia 2π m.
• Elongación (y): Es la distancia que separa en un instante dado a un punto de la onda de la posición de equilibrio.
• Amplitud (A): Es la máxima altura de la onda.

Amortiguamiento de la Onda

Sabemos que a medida que aumenta la distancia al foco disminuye la amplitud de la onda y, por lo tanto, disminuye la intensidad. A esto se le llama amortiguamiento de la onda y a él contribuyen principalmente dos fenómenos:

• Atenuación: La energía que transporta una onda va siempre distribuida en su frente de ondas y como al pasar al siguiente este tiene mayor superficie, habrá que repartir la misma energía entre mayor número de puntos, y por lo tanto a cada uno le corresponde menor energía y por eso se dice que la onda se atenúa.
• Absorción: Otra causa que contribuye al debilitamiento de la onda es que el propio medio absorbe parte de la energía que transporta, transformándola generalmente en calor, debido sobre todo al rozamiento de unas partículas sobre otras. La relación que liga la intensidad con la anchura o espesor del medio es: -di = B · i · dx, donde B es el coeficiente de absorción del medio.

Interferencias

Definición 1: Es el encuentro de dos o más ondas cuyas acciones se suman dando origen en los puntos de coincidencia a una nueva onda que según el principio de superposición será la suma de las ondas elementales.

Definición 2: Es el fenómeno que se produce cuando un punto es alcanzado por varias ondas, dándose en este punto interferencia constructiva y destructiva.

Difracción

Definición 1: Es el fenómeno mediante el cual un sistema de ondas que atraviesa un obstáculo por un orificio pequeño se propaga en todas las direcciones detrás de dicho orificio, siendo para ello necesario que el diámetro del orificio sea aproximadamente igual a la λ de las ondas que se propagan.

Definición 2: Interpretación de las franjas de difracción (Huygens explica la difracción admitiendo que cada uno de los puntos del orificio se convierte en un nuevo foco emisor de ondas elementales, las cuales se van a sumar y por lo tanto van a producir interferencias, siendo el resultado de las mismas las franjas de difracción (zonas donde están alternados los máximos o zonas iluminadas, y los mínimos o zonas oscuras)).

Definición 3: También se da difracción cuando un obstáculo impide el avance del frente de ondas, en este caso, se logra bordear el obstáculo y propagarse detrás del mismo, como ocurre por ejemplo con las ondas sonoras que doblan las esquinas y se pueden escuchar detrás de ellas.

Definición 4: La difracción es una propiedad que nos sirve para saber si un determinado fenómeno físico tiene carácter ondulatorio o no:

• Si hay difracción tiene carácter ondulatorio, si no la hay no.

Por ejemplo, debido a que la luz se difracta se ha llegado a la conclusión de que su naturaleza es ondulatoria, ya que si fuera corpuscular no se difractaría y seguiría el comportamiento de las partículas; es decir, si encuentra un obstáculo chocan y rebotan, pero si el obstáculo tiene un orificio, simplemente se cuelan las partículas por él, mientras que las ondas se propagan detrás del mismo en todas las direcciones.

Efecto Doppler

Hasta ahora hemos estudiado las ondas considerando el foco y el observador fijos, pero puede ocurrir que se mueva el foco, el observador o ambos a la vez, en estos casos varía la frecuencia de las ondas y según Doppler:

«El sonido y cualquier tipo de onda en general se hace más agudo (aumenta la frecuencia) cuando hay un acercamiento del foco, del observador o de ambos y se hace más grave (disminuye la frecuencia) cuando hay un alejamiento.»

La expresión general es:

Una aplicación importante del efecto Doppler es que el universo está en continua expansión, ya que cuando los científicos analizan los espectros de las radiaciones electromagnéticas procedentes de las estrellas y galaxias, observan que hay un «corrimiento al rojo», lo que indica que la frecuencia de las radiaciones está disminuyendo y por lo tanto según Doppler, hay un alejamiento del foco (las estrellas están cada vez más lejos).

C = (λ) / T = (λ) · (ν) = cte

Si aumenta λ -> disminuye ν y viceversa.

Sonido

Es una onda mecánica, longitudinal y esférica.

• Mecánica: Porque necesita de un medio material para propagarse.
• Longitudinal: Porque la dirección de vibración de las partículas coincide con la dirección de propagación de la onda, y consiste en una serie de dilataciones y compresiones del medio.
• Esférica: Porque se propaga en todas las direcciones del espacio.

Cualidades del Sonido:

• Intensidad: Según la intensidad los sonidos se clasifican en fuertes (si son de gran amplitud) y débiles (de pequeña amplitud). Su unidad es el W/m².
• Sonoridad y nivel de intensidad: Representan lo que se considera la fuerza de los sonidos y están relacionados en cierta medida, pero son conceptos distintos.
  • La sonoridad se refiere a una percepción subjetiva de una sensación sonora, su unidad es el sone.
• Tono: Está relacionado con la frecuencia del sonido y así hablamos de sonidos altos o agudos (de gran frecuencia) y bajos o graves (de poca frecuencia).
• Timbre: Es la cualidad del sonido que nos permite distinguir dos sonidos de igual intensidad y tono, pero emitidos por instrumentos distintos.

Principio de Huygens

Huygens propone un mecanismo para explicar cómo se forma un frente de ondas en un instante determinado conocido el anterior, basado en:

«Cada punto de un medio alcanzado por un frente de ondas se convierte en un foco emisor (foco secundario) de nuevas ondas elementales, las cuales al sumarse unas con otras dan lugar a una nueva onda, tangente a todas las demás, llamada envolvente que es la que se propaga o constituye el nuevo frente de ondas.»