COLEGIO DE BACHILLERES DEL ESTADO DE CAMPECHE

FÍSICA II

UNIDAD 4. LA MATERIA Y LAS ONDAS MECÁNICAS

UNIDAD 4.-LA MATERIA Y LA ENERGÍA

4.1.-ONDAS MECÁNICAS

4.1.1.-TIPOS DE ONDAS:

DEFINICIÓN DE ONDAS:

Un medio elástico se comporta como si estuviese constituido por una serie de partículas adyacentes cuyas fuerzas de atracción y repulsión mutua estuviesen completamente equilibradas. Si una de las partículas comienza a vibrar, las inmediatas a ella también lo harán, pero decaladas en retrazo, en cuanto al tiempo, con respecto a aquella.

El movimiento vibratorio del medio, que de esta forma se origina, se designa con el nombre de movimiento ondulatorio, y la forma que en un instante dado toma la totalidad de la perturbación recibe el nombre de onda.

ONDA MECÁNICA:

Son aquellas ocasionadas por una perturbación y que para su propagación en forma de oscilaciones periódicas requiere de un medio material; por ejemplo: en un resorte, una cuerda, en el agua, o en algún medio por el sonido.

ONDA ELECTROMAGNÉTICAS:

Esta no necesita un medio material para su propagación, pues se difunden aun en el vacío; por ejemplo las ondas luminosas, caloríficas y de radio.

CLASIFICACIÓN DE:

ONDAS LONGITUDINALES:

Se presentan cuando las partículas del medio material vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Tal es el caso de las ondas producidas en un resorte. Como en la figura ___ , el cual se comporta como un oscilador armónico cuando se tira del cuerpo suspendido en su parte inferior y comienza a oscilar de abajo hacia arriba, produciendo ondas longitudinales.

ONDAS TRANSVERSALES:

Se presenta cuando las partículas del medio material vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Estas se producen, por ejemplo, cuando se arroja una piedra en un estanque: al entrar en el agua, expulsa el líquido en todas direcciones, por tanto unas moléculas empujan a otra formándose prominencias y depresiones circulares alrededor de la piedra. Con las moléculas de agua vibran hacia arriba y hacia abajo, en forma perpendicular a la dirección en la que se propaga la onda, esta reciben el nombre de transversal.

4.1.2.- CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS EN:

LINEALES:

Son las que se propagan en una sola dimensión o rayo. Tal es el caso de las ondas producidas en una cuerda o en un resorte.

SUPERFICIALES:

Son las que se difunden en dos dimensiones, como las ondas producidas en una lámina metálica o en la superficie de un liquido como sucede cuado una piedra cae en un estanque. En éstas los frentes de ondas son circunferencias concéntricas al foco o centro emisor, las cuales aumentan de tamaño conforme se alejan de él.

TRIDIMENSIONALES:

Son las que se propagan en todas direcciones como el sonido. Los frentes de una onda sonora son esféricos y los rayos salen en todas direcciones a partir del centro emisor. Las ondas electromagnéticas como la luz y el calor también se propagan tridimensionalmente.

4.1.3.- CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS:

VALLES:

En una onda transversal la parte baja se llama valle.

CRESTA:

En una onda transversal, la parte que sobresale se llama cresta.

FRECUENCIA:

Es el número de ondas emitidas por el centro emisor en un segundo. Se mide en ciclos/s, esto es, en Hertz (Hz).

Un Hertz = 1 ciclo/s

PERIODO:

Es el tiempo que tarda en realizarse un ciclo de la onda. El periodo es el inverso de la frecuencia y viceversa.

NODO:

Punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

ELONGACIÓN:

Es la distancia entre cualquier punto de una onda y su posición de equilibrio.

LONGITUD DE ONDA:

Es la distancia entre dos frentes de onda que están en la misma fase. Por ejemplo, la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos. La longitud de onda se representa por la letra griega  (lambda) y se mide en m/ciclo.

AMPLITUD DE ONDA:

Es la máxima elongación o alejamiento de su posición de equilibrio que alcanzan las partículas vibrantes.

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN:

Es aquella con la cual se propaga un pulso a través de un medio. En otras palabras, es la velocidad con que se desplazan los frentes de una onda en la dirección del radio.

La velocidad con la que se propaga una onda está en función de la elasticidad del medio; mientras este es más elástico, la velocidad de propagación será mayor. En general, dicha velocidad en un medio específico siempre se del mismo valor y puede calcularse con la expresión:

Donde:

V= Velocidad de propagación en m/s.

= Longitud de onda en m/ciclo.

T= Periodo en s/ciclo.

Como: V=F

4.1.4.- FENÓMENOS QUE SE PRESENTAN EN LAS ONDAS:

REFLEXIÓN DE ONDAS:

Se presentan cuando estas se encuentran con un obstáculo que les impide propagarse, chocan y cambian de sentido sin modificar sus demás características.

PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN:

Es el desplazamiento que experimenta una partícula vibrante, equivalente a la suma vectorial de los desplazamientos que cada onda le produce.

INTERFERENCIA DE ONDAS:

Se produce cuando se superponen dos o más trenes de ondas: este fenómeno se emplea para comprobar si un movimiento es ondulatorio o no.

INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA:

Se presenta al superponerse dos movimientos ondulatorios de la misma frecuencia y longitud de onda, que llevan el mismo sentido.

INTERFERENCIA DESTRUCTIVA:

Se manifiesta cuado se superponen dos movimientos ondulatorios con una diferencia de fase.

REFRACCIÓN DE LAS ONDAS:

Se presenta cuando éstas pasan de un medio a otro con diferente densidad o bien, cuado el medio es el mismo pero se encuentran en condiciones diferentes.

DIFRACCIÓN DE LAS ONDAS:

Cuando una onda se encuentra un obstáculo en su camino y lo rodea o lo contornea se produce la difracción de ondas. Este fenómeno es más notorio a medida que son mayores las longitudes de onda, y si el tamaño de la abertura por la que atravesará la onda es menor.

4.1.5.-ONDAS SONARAS

CONCEPTO Y SU ESPECTRO:

Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales. El sonido se produce cuando un cuerpo es capaz de vibrar a una frecuencia comprendida entre unos 15 ó 16 ciclos/s y unos 20000 ciclos/s, gama denominada de frecuencia de espectro audible. Cuando la frecuencia de una onda es inferior al límite audible se dice que es infrasónica y si es mayor, es ultrasónico.

4.1.6.-CONDICIONES PARA LA PRODUCCIÓN Y PROPAGACIÓN DEL SONIDO.

Un sonido, por intenso que sea, no se propaga en el vacío por que no existe en éste un material por el cual se transmita la vibración.

4.1.7.-VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN:

La velocidad con la que propaga un sonido depende del medio elástico y de su temperatura. La siguiente tabla muestra algunos valores obsérvense que la velocidad es mayor en los sólidos que en los líquidos y gases:

VELOCIDAD DEL SONIDO
MEDIO ELÁSTICO	VELOCIDAD m/s	TEMPERATURA ºK
Aire (g)	331.4	273º
Aire (g)	340	288º
Agua (l)	1435	281º
Oxígeno (g)	317	273º
Hierro (s)	5130	293º
Aluminio (s)	5100	293º
Vidrio (s)	4500	293º

4.1.8.-FENÓMENOS ACÚSTICOS:

REFLEXIÓN:

Se produce cuado las ondas sonoras se reflejan al chocar con una pared dura. Si el vector de propagación sonora incide perpendicularmente a una, superficie, se refleja en sentido contrario; pero si incide en forma oblicua, los ángulos de incidencia y de reflexión son iguales.

ECO:

Se origina por la repetición del sonido reflejado.

Una aplicación del eco se tiene al medir la profundidad del mar, usando un aparato llamado sonar.

RESONANCIA:

Se presenta cuando la vibración de un cuerpo hace vibrar a otro con la misma frecuencia.

REVERBERACIÓN:

Se produce si después de escucharse un sonido original, éste persiste dentro de un local como consecuencia del eco.

4.1.9.- CUALIDADES DEL SONIDO:

INTENSIDAD:

Esta cualidad determina si un sonido es fuerte o débil.

La intensidad de un sonido depende de: la amplitud de la onda, ya que a medida que ésta aumenta, la intensidad también aumenta; de la distancia existente entre la fuente sonora y el oyente, pues a mayor distancia, menor intensidad, y finalmente, la intensidad es mayor si la superficie que vibra también lo es.

La intensidad de un sonido expresa la cantidad de energía acústica que en un segundo pasa a través de una superficie de un centímetro cuadrado, perpendicular a la dirección en la cual se propaga la onda. Las unidades de intensidad sonora (Is) son:

TONO:

Esta cualidad del sonido depende de la frecuencia con la que vibra el cuerpo emisor del sonido. A mayor frecuencia, el sonido es más alto o agudo, a menor frecuencia el sonido es más bajo o grave.

TIMBRE:

Cualidad que permite identificar la intensidad sonora, aunque con distintos instrumentos produzcan sonidos con el mismo tono e intensidad.

4.1.10.-EFECTO DOPPLER

Consiste en un cambio aparente en la frecuencia de un sonido, durante el movimiento relativo entre el observador y la fuente sonora.

Este fenómeno se aprecia claramente al escuchar la sirena de una ambulancia, pues notamos que el tono se hace agudo a medida que se aproxima y después se hace grave al alejarse. Sucede un efecto similar si la fuente sonora permanece fija y el observador es quien se acerca. Para calcular la frecuencia aparente de un sonido escuchado por un observador, tenemos las siguientes situaciones:

Cuando la fuente sonara esta en movimiento y el observador esta en reposo se usa la expresión:

Cuando la fuente sonora permanece en reposo y el observador es quien se acerca o aleja de ella, se usa la expresión:

EJERCICIOS PROPUESTOS:

1.- Determinar la frecuencia de las ondas que se transmite por una cuerda tensa, cuya velocidad de propagación es de 200 m/s y su longitud de onda es de 0.7 m/ciclo.

DATOS:

F=?

v=200 m/s

= 0.7m/ciclo

2.- Cual es la velocidad con que se propaga una onda longitudinal en un resorte, cuna do su frecuencia es de 180 Hz y su longitud de onda es de 0.8 m/ciclo.

Datos:

v= ?

F= 180 Hz

= 0.8 m/ciclo

3.- Se produce un tren de ondas en una cuba de ondas, entre cresta y cresta hay una distancia de 0.03 m, con una frecuencia de 90 Hz. ¿Cuál es la velocidad de propagación de las ondas?

Datos:

v= ?

= 0.03 m/ciclo

F= 90 Hz

4.- En una cuerda tensa se producen ondas con una frecuencia de 240 Hz, a una velocidad de propagación de 150 m/s. ¿Qué longitud de onda tiene?

Datos:

= ?

v= 150 m/s

F= 240 HZ

5.- Determinar cual es frecuencia y el periodo de las ondas producidas en una cuerda de violín si la velocidad de propagación es de 220 m/s y su longitud de onda es de 0.2 m/ciclo.

Datos:

F= ?

T= ?

v= 220 m/s

= 0.2 m/ciclo

6.- Una fuente sonora produce un sonido con una frecuencia de 750 Hz, calcular la longitud de onda en:

a) El aire

b) El agua

Considerando la velocidad del sonido en el aire de 340 m/s y en el agua de 1435 m/s.

Datos:

F= 750 Hz

agua=?

aire=?

v aire=340 m/s

v agua= 1435 m/s

7.- Un submarino emiten una señal ultrasónica detectando un obstáculo; la señal tarda 2 segundos en ir y regresar al submarino ¿A que distancia se encuentra el obstáculo?

Considere la velocidad del sonido en el agua a 1435 m/s

Datos:

d=?

v=1435 m/s

t=1 s

8.- Un cañón dispara un proyectil y 3.5 s después de ser expulsado se escucha el ruido de la explosión. ¿A qué distancia del cañón se encuentra el observador? Considere la velocidad del sonido en el aire de 340 m/s.

Datos:

d= ?

t= 3.5 s

v= 340 m/s

9.-.En una varilla de aluminio se produce una onda compresiva con una frecuencia de 450 Hz, misma que es transmitida del aluminio a un tanque lleno con agua. Calcular la longitud de onda en la varilla y en el agua, su velocidad de propagación es de 5100 m/s en el aluminio y de 1435 m/s en el agua.

Datos:

F= 450 Hz

Al=?H2O=?

vAl=5100 m/s

vH2O=1435 m/s

10.- Una patrulla de caminos se mueve a una velocidad de 110 Km/h, haciendo sonar su sirena con una frecuencia de 900 Hz. Encontrar la frecuencia aparente escuchada por un observador en reposo cuando:

a) La patrulla se acerca a él.

b) La patrulla se aleja de él.

Considere la velocidad del sonido en el aire de 340 m/s

a)

b)

FORMULA:

FORMULA

FÓRMULA:

FORMULA:

FORMULA: