ENERGÍA

Y

ONDAS

Índice

Página

1. Las ondas y la transmisión de energía.................... 3

2. Clases de ondas......................................................... 3

2.1. Según el medio....................................................... 3

2.2 Según la dirección de los movimientos.................. 4

3. Características de las ondas.................................... 4

4. El sonido y su propagación...................................... 4

5. Características del sonido........................................ 5

6. Fenómenos que experimentan las ondas sonoras.. 5

6.1. Reflexión................................................................. 6 6.2. Refracción............................................................... 6

6.3. Resonancia.............................................................. 6

7. La luz y su propagación............................................ 6

8. La reflexión de la luz................................................. 7

9. La refracción de la luz............................................... 7

10. Dispersión y polarización de la luz........................... 8

10.1. Dispersión................................................................ 8

10.2. Polarización.............................................................. 8

Energía y ondas

Las ondas y la transmisión de energía

Las partículas que realizan los movimientos armónicos oscilan alrededor de una posición de equilibrio y transmiten este movimiento a las que se encuentran a su alrededor mediante fuerzas elásticas.

Un modelo útil para entender esta situación se consigue uniendo pelotas de tenis (partículas) entre sí por medio de unos muelles (fuerzas elásticas)

Si una fuerza desplaza a la pelota de su posición de equilibrio, cuando cesa la fuerza, la pelota comienza a moverse y ese movimiento se propaga alcanzando a las demás poco tiempo después. Cada una de las pelotas realiza un movimiento armónico y todo el conjunto un movimiento ondulatorio.

Las partículas de cualquier material se alejan de su posición de equilibrio vibrando a uno y otro lado. La vibración pasa de unas partículas a otras sin que se produzca desplazamiento en el sentido de propagación del movimiento. LO que se está produciendo es una transmisión de energía. Cuando concluye un movimiento ondulatorio cada una de las partículas del medio vuelve a encontrarse en su posición inicial.

2. Clases de ondas

Las ondas que se dan en la naturaleza se pueden clasificar en función del medio por el que se propagan y de las direcciones de su movimiento ondulatorio y vibratorio.

2.1 Según el medio

· Ondas mecánicas: Son aquellas que precisan de un medio material para su propagación. El sonido es una onda mecánica.

· Ondas electromagnéticas: Son las que se difunden mediante campos eléctricos y magnéticos. Se pueden propagar tanto en el vacío como en un medio material.

Todas las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la misma velocidad; se diferencian por su longitud de onda y su frecuencia.

2.2 Según la dirección de los movimientos

· Ondas transversales: Son aquellas en las que la dirección del movimiento vibratorio es perpendicular a la dirección de la propagación del fenómeno ondulatorio.

· Ondas longitudinales: En ellas, las partículas del medio vibran en la misma dirección en la que se desplaza la onda. Las partículas del medio se comprimen y se dilatan a medida que va pasando la onda.

3. Características de las ondas

Para describir con precisión un movimiento ondulatorio hay que determinar las siguientes magnitudes comunes a todos ellos:

· Amplitud (A): Es la distancia máxima que puede separarse de su posición de equilibrio un punto que está realizando un movimiento vibratorio. Se mide en metros.

· Elongación (x): Es la distancia que separa a un punto que está vibrando de su posición de equilibrio. Se mide en metros.

· Fase: Se dice que dos partículas están en fase cuando se encuentran en el mismo estado de vibración.

· Período (T): Es el tiempo que emplea en una oscilación o vibración completa. También se define como el tiempo que transcurre hasta que una partícula vuelve a estar en el mismo estado de vibración. Se mide en segundos.

· Frecuencia (f): Es el número de oscilaciones completas que una partícula da en un segundo. Su unidad es el hertz o hertzio (Hz) que corresponde a una vibración cada segundo: 1Hz = 1

El período y la frecuencia son inversamente proporcionales: T = 1/f

· Velocidad del movimiento ondulatorio (v): Es la velocidad con la que se propaga la onda. Se expresa como el cociente entre la longitud de onda y el período.

4. El sonido y su propagación

Lo que se conoce como sonido es la información que se procesa y que es recibida por el oído como onda acústica. La producción de ondas acústicas es debida a la vibración de un foco emisor del que parte el sonido en todas direcciones.

Las ondas acústicas son mecánicas y longitudinales.

La velocidad del sonido depende de la proximidad que tengan entre sí las partículas que forman el medio.

La ecuación que indica el valor de la velocidad del sonido en el aire en función de la temperatura es:

Siendo T el valor de la temperatura en grados Kelvin y v la velocidad en m/s.

5. Características del sonido

El oído humano solo percibe sonidos cuyas frecuencias se encuentren entre 20 y 20000 Hz y los transforma en sensaciones auditivas. Todas las sensaciones que llegan en este rango de frecuencias se pueden distinguir siempre y cuando difieran en alguna de las características fundamentales: intensidad, frecuencia y forma de onda.

· La intensidad es la cantidad de energía que transporta la onda y depende del valor de su amplitud. Cuanto mayor es la amplitud de la onda, mayor es su intensidad. Esta propiedad está relacionada con la sonoridad que es la cantidad de sensación auditiva que produce un sonido. La unidad de sonoridad es el bel, aunque se utiliza más su décima parte, el decibelio.

· La frecuencia es la cantidad de dilataciones o contracciones que pasan en un segundo por un punto. El tono es la cualidad del sonido que permite clasificarlos en agudos (frecuencia alta) y graves (frecuencia baja)

· La forma de onda es la característica que permite distinguir dos sonidos con la misma frecuencia e intensidad. Se dice que tienen distinto timbre.

La acústica es la parte de la física que se encarga del estudio de la producción, transmisión y características del sonido y de su relación con el sentido del oído.

6. Fenómenos que experimentan las ondas sonoras

Los fenómenos más importantes que experimentan las ondas sonoras en su propagación son la reflexión, la refracción y la resonancia.

6.1. Reflexión

Todas las propagaciones ondulatorias sufren reflexión cuando chocan contra una superficie. En el caso del sonido cuando esta reflexión es percibida por el hombre se denomina eco.

Para que el oído distinga el eco es preciso que entre un sonido y su reflejo haya una diferencia de tiempo de 0,1 s.

6.2. Refracción

La refracción es el fenómeno por el que las ondas sonoras sufren un cambio de velocidad y dirección cuando pasan de un medio a otro o cuando varían las propiedades físicas del medio por el que se propagan.

6.3. Resonancia

La composición y forma de los cuerpos hace que tengan una frecuencia propia o natural que es la frecuencia con la que vibran espontáneamente cuando no están sometidos a influencia exterior. Cuando una onda sonora alcanza un cuerpo con su frecuencia propia, este absorbe su energía comienza a vibrar con la máxima amplitud. Este fenómeno se conoce como resonancia.

7. La luz y su propagación

La luz es una onda electromagnética. Estas ondas tienen como origen una perturbación eléctrica (E) y otra magnética (B) que forman un ángulo del 90º y cuya vibración es transversal a la dirección de propagación de la luz.

Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío. Los medios que no absorben su radiación se denominan transparentes. Para representar las ondas luminosas se utilizan, por comodidad, los rayos de luz. Un rayo de luz es la línea más fina que se puede obtener. Varios rayos de luz propagándose en la misma dirección forman un haz.

Cuando un objeto no transparente se interpone en el camino de la luz, algunos rayos siguen viajando y otros son detenidos por el objeto, formando lo que se denominan sombras y penumbras. Este fenómeno permite deducir que la luz viaja en línea recta.

En la actualidad se sabe que la velocidad máxima la alcanza en el vacío y es aproximadamente 300000 km/s = 300000000 m/s. La velocidad de la luz, c, es la misma que la del resto de las ondas electromagnéticas.

8. La reflexión de la luz

El fenómeno se da en la luz porque es una propiedad común a todas las ondas.

El color que es una característica de todos los cuerpos, depende de este fenómeno ya que un cuerpo refleja el color con que lo vemos y absorbe el resto; cuando un cuerpo absorbe todas las longitudes de onda se ve negro y cuando las refleja todas se ve blanco.

Los cuerpos que no seleccionan la luz que reflejan se denominan espejos. En la superficie de los espejos la luz es reflejada tal y como llega.

Para estudiar geométricamente el fenómeno de la reflexión se considera un solo rayo de luz que incide de forma oblicua sobre la superficie.

Leyes de la reflexión:

· El rayo incide, el reflejado y la normal se encuentran en el mismo plano.

· Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales.

9. La refracción de la luz

Cuando un rayo de luz incide de forma oblicua en la superficie e separación de dos medios, parte de él se refleja y parte pasa al otro medio sufriendo una variación en su dirección y en su velocidad. Este segundo fenómeno se denomina refracción.

Para caracterizar un medio se define el índice de refracción (n), que es la relación que existe entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio considerado:

La frecuencia de una vibración no varía al cambiar de medio, pero la longitud de onda si lo hace. Como la velocidad depende de esta variable, también cambiará su valor.

W. Snell, en 1621, enunció las leyes que rigen la refracción de un rayo cuando pasa de un medio de índice de refracción a otro de índice n

Leyes de la refracción:

· El rayo incidente, el refractado y la normal se encuentran en el mismo plano.

· Las direcciones del rayo incidente y el refractado están relacionadas por la ecuación: (ley de Snell)

10. Dispersión y polarización de la luz

Dos fenómenos que experimenta las ondas luminosas son la dispersión y la polarización.

10.1 Dispersión

Cuando se hace pasar un rayo de luz blanca a través de un prisma triangular de vidrio se observa que se descompone en un conjunto de colores. Este fenómeno recibe el nombre de dispersión. Por tanto, la luz blanca está formada por radiaciones electromagnéticas de varias frecuencias, que forman su espectro electromagnético. La luz blanca formada por varios colores recibe el nombre de policromática.

Si uno de los colores obtenidos por la dispersión se hace pasar de nuevo a través de un prisma, el rayo que se refracta vuelve a ser del mismo color que el incidente, este tipo de luz es monocromática.

10.2. Polarización

La polarización es un fenómeno que se da en las ondas luminosas por ser de naturaleza transversal.

Cuando se consigue que una onda electromagnética esté formada por campos que vibren en una sola dirección, la luz se denomina polarizada.

Los polarizadores son los dispositivos que permiten obtener luz polarizada.