El Movimiento Ondulatorio

Una onda provoca un transporte de energía sin que exista un transporte de materia. Se llama movimiento ondulatorio a la propagación de un movimiento vibratorio a través de un medio. La perturbación que se origina se llama onda. El movimiento ondulatorio es el resultado de la propagación de un movimiento vibratorio a través de un medio. De este movimiento resulta un transporte de energía a través del medio, pero sin transporte de materia.

Clasificación de las Ondas

Según las dimensiones de propagación, las ondas pueden ser:

• Unidimensionales: cuando la onda se propaga en una sola dimensión.
• Bidimensionales: cuando la onda se propaga en una superficie plana.
• Tridimensionales: cuando la onda se propaga en las tres direcciones del espacio.

Según la dirección en que vibran las partículas con el avance de la onda, las ondas pueden ser:

• Longitudinales: aquellas en las que las partículas del medio vibran en la misma dirección en la que avanza la perturbación (ondas sonoras).
• Transversales: aquellas en las que las partículas del medio vibran perpendicularmente al avance de la perturbación (una piedra que cae en un estanque).

Según el medio en el que se propagan, las ondas pueden ser:

• Mecánicas: que necesitan un medio material para propagarse (sonido).
• Electromagnéticas: que se propagan también por el vacío (la luz).

Si no existiese rozamiento, una onda permanecería igual por tiempo indefinido formando una onda armónica.

Propagación de Energía en el Movimiento Ondulatorio

Suponiendo que la onda es armónica, llamamos potencia de una onda a la energía que transporta por unidad de tiempo (vatios). Se denomina frente de una onda al conjunto de todos los puntos del medio que se encuentran en el mismo estado de vibración cuando los alcanza un movimiento ondulatorio. La energía que se ha originado en el foco se reparte entre todos los puntos del medio que forman parte del mismo frente. Intensidad de una onda es la potencia por unidad de la magnitud que define el frente de onda.

• Unidimensional: I = potencia en el punto (W)
• Bidimensional: I = potencia por unidad de longitud (W/m)
• Tridimensional: I = potencia por unidad de superficie (W/m²)

Atenuación

La intensidad de una onda en un punto es la medida del efecto del movimiento ondulatorio en ese punto. En las ondas armónicas bi y tridimensionales se produce una disminución de la amplitud de la perturbación a medida que nos alejamos del foco. En casi todos los casos existe una atenuación añadida por efecto del rozamiento entre las partículas del medio.

Absorción

Cuando una onda atraviesa un medio material, sus partículas sufren algún tipo de rozamiento que hace que disminuya aún más la energía que transporta la onda y, por tanto, su intensidad. La absorción depende de las características del medio y también de la frecuencia de la onda. El espesor de semiabsorción es el espesor que debe tener el material para que la perturbación reduzca su intensidad a la mitad.

Principio de Huygens

Cuando se coloca una pantalla con una ranura en el camino de una onda, en la propia ranura se produce una nueva onda hacia el otro lado de la pantalla y a ambos lados de la ranura. Esto se llama difracción y no se puede explicar suponiendo que las perturbaciones señaladas se propagan de forma similar a las partículas. Según el principio de Huygens, las ondas avanzan de tal forma que cada punto de un frente de ondas se convierte en un foco emisor de una onda de las mismas características. La envolvente de las ondas que resultan de los distintos puntos de un frente conformarán un nuevo frente de onda.

Propiedades de las Ondas

Reflexión

Se produce reflexión cuando una onda choca con la superficie que separa dos medios distintos y retrocede avanzando por el mismo medio original. Las leyes de reflexión de una onda son:

• El rayo incidente, el reflejado y la normal están en el mismo plano.
• El ángulo que forma el rayo incidente con la normal es igual al que forma el rayo reflejado con ella.

Refracción

Se produce una refracción cuando una onda llega a la superficie que separa dos medios distintos y avanza por el segundo medio. En cada uno de ellos la onda se moverá con velocidad distinta, por lo que cambiará la dirección, salvo que sea de incidencia perpendicular. Las leyes de refracción de una onda son:

• El rayo incidente, el refractado y el normal están en el mismo plano.
• Cuando el rayo incidente se propaga a mayor velocidad que el refractado, el ángulo de incidencia (i) es mayor que el ángulo de refracción (s).

Difracción

Se produce el fenómeno de difracción cuando una onda que se propaga en un medio se encuentra en el camino con aberturas u obstáculos de tamaño comparable con la longitud de onda. La difracción puede provocar un cambio de dirección en la propagación de la onda.

Interferencias

Cuando varios movimientos ondulatorios similares se propagan en un medio, pueden coincidir en un determinado punto de ese medio. Entonces se produce una interferencia y ese punto se ve sometido a una perturbación que es la suma de las perturbaciones coincidentes. A continuación, cada movimiento ondulatorio sigue propagándose de forma independiente. Las interferencias pueden ser constructivas o destructivas.

Ondas Estacionarias

Las Ondas estacionarias resultan de la superposición de dos ondas idénticas que se propagan en el mismo medio en sentidos opuestos y con oposición de fase.

Pulsación

La Pulsación es un tipo de interferencia que se produce cuando coinciden en un medio ondas con frecuencias similares, formando una amplitud variable.

El Sonido

Es una perturbación que aparece cuando se hacen vibrar las partículas de un medio elástico de forma que se produzcan variaciones en su densidad o en su presión y se propaga a través del medio en forma de ondas. Es una onda mecánica longitudinal tridimensional: mecánica porque se propaga en un medio material elástico, longitudinal porque hace que vibren las partículas en la misma dirección en la que avanza, y tridimensional porque se propaga en las tres dimensiones. La fuente puede ser cualquier cosa que vibre, el medio debe ser elástico, la velocidad de propagación depende de ese medio y de las condiciones en las que se encuentre. El receptor debe ser capaz de captar la onda e interpretarla.

Efecto Doppler

El efecto Doppler es el cambio que tiene lugar en la frecuencia y longitud de onda de una onda como consecuencia del movimiento del emisor, del receptor o de ambos. El efecto Doppler va a depender de quién está en movimiento, si el receptor o el emisor. Hay diversas combinaciones:

• Cuando el emisor está en movimiento y el receptor en reposo.
• Cuando el emisor está en reposo y el receptor en movimiento.
• Cuando el receptor y emisor están en movimiento.

Caso 1: Emisor en movimiento y receptor en reposo.

• El emisor se aleja: la longitud de onda del receptor es mayor que la emitida, la frecuencia que percibe es menor que la emitida, sonido más grave.
• El emisor se acerca (al revés).

Caso 2: Emisor en reposo y receptor en movimiento.

• El receptor se aleja: la longitud de onda que percibe el receptor es mayor a la emitida, la frecuencia que percibe el receptor es menor que la emitida, el sonido es más grave.
• El receptor se acerca (al revés).

Caso 3: Emisor y receptor en movimiento.

• Si se alejan (igual que antes).
• Si se acercan (igual que antes).

Fenómenos Asociados a las Ondas Sonoras

Reflexión

Cuando una onda sonora llega a la superficie de separación entre dos medios, sufre reflexión. La onda incidente y la reflejada siguen las leyes que se comentaron con carácter general. Se experimenta en las galerías de susurros, circulares donde el sonido rebota en las paredes. Un cono aumenta la intensidad del sonido que se transmite. Del mismo modo, si recogemos un sonido con un cono también la condensamos y aumentamos (intensidad). El eco, la reverberación.

Refracción

(Inventar ejemplo agua/aire)

Difracción

(Cuando un coche llega a una esquina y pita lo oímos porque el sonido se difracta, pero no lo vemos).

Interferencias

Cuando hablamos con alguien rodeados de ruido.

Cualidades del Sonido

El tono es la cualidad que permite distinguir los sonidos agudos de los graves. Está relacionado con la frecuencia de la onda sonora: los agudos frecuencias altas, los graves bajas. El oído humano percibe entre 20 y 20000 Hz dependiendo de la intensidad. Algunos animales perciben infrasonidos y ultrasonidos. La intensidad es la cualidad del sonido que permite identificarlo como fuerte o débil. Está relacionada con la amplitud: los fuertes amplitud alta, los flojos bajas. El nivel de intensidad sonora se expresa en dB. El timbre es la característica que permite distinguir sonidos de la misma frecuencia y la misma amplitud producidos por instrumentos diferentes. Está relacionado con la forma de las ondas sonoras emitidas. En los instrumentos musicales, son armónicos.

Aplicaciones del Sonido

Sónar (ultrasonidos), ecografía (ultrasonidos), medicina (ultrasonidos, para cálculos biliares o renales), cámaras fotos (ultrasonidos para limpiar sensores), industria (ultrasonidos para irregularidades en materiales).

Contaminación Acústica

Sonidos no deseados. Los sonómetros miden el nivel de ruido, para ver si supera unos límites legales, por ejemplo. Para evitar la contaminación acústica hay medidas:

• Activas: con silenciadores de motores, etc.
• Pasivas: con materiales que amortiguan la propagación del sonido, discotecas…