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ONDAS MECÁNICAS

PROPAGACIÓN ONDULATORIA POR UN MEDIO MATERIAL

La física clásica considera dos modos o mecanismos de propagación de la energía: mediante partículas o mediante ondas. Para distinguir ambos mecanismos imaginamos un barquito de vela flotando en el centro de un estanque. Podemos transferirle energía, por ejemplo, lanzándole piedras o soplando. Estas acciones conllevan un transporte neto de materia (piedras, moléculas de aire) desde la orilla del estanque hasta el barquito que es impulsado cuando esa materia choca con él.

También podemos transferir energía al barquito sin necesidad de enviar materia. Por ejemplo, dejando caer piedras en la orilla o chapoteando en el agua. Estas acciones producen oscilaciones que avanzan por la superficie del agua y cuando alcanzan al barquito, le hacen moverse arriba y abajo. Decimos entonces que se produce un movimiento ondulatorio o que se propaga una onda, que transmite energía y cantidad de

movimiento sin que se produzca un transporte neto de materia.

El mecanismo de propagación ondulatoria se manifiesta en muchos procesos: al chapotear en el agua, al pulsar una cuerda tensa, al agitar el extremo de un resorte, cuando se produce un terremoto (ondas sísmicas), cuando se emite un sonido (ondas sonoras), etc. Las oscilaciones se generan en un punto de un medio material (llamado foco) y se transmiten por ese mismo medio (agua, aire, suelo terrestre, resorte elástico) Este tipo de ondas, que necesitan un medio material para propagarse, se llaman ondas mecánicas.

PULSOS DE ONDAS LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES

Un pulso es una perturbación de corta duración generada en el estado natural de un punto de un medio material que se transmite por dicho medio. Podemos producir un pulso, por ejemplo, realizando una rápida sacudida en el extremo de un muelle o de una cuerda, lanzando una piedra al agua de un estanque, dando un golpe a una mesa o produciendo una detonación en el aire.

La figura adjunta representa una instantánea de un pulso de onda propagándose por un muelle tenso. Para generarlo juntamos varios anillos del resorte y luego soltamos de golpe. La perturbación producida en un extremo se transmite a la zona contigua,

que repite el movimiento un poco después. El resultado global es un avance del estado de vibración a lo largo del muelle. En esta experiencia las vibraciones tienen lugar en la misma dirección en la que se propagan y decimos que se trata de

un pulso de onda longitudinal.

Un ejemplo de onda longitudinal es el sonido. Se pueden producir pulsos sonoros golpeando un objeto sólido. El objeto vibra y empuja al aire que lo rodea produciéndole una compresión que se traslada a una velocidad de unos 340 m/s. La propagación es longitudinal porque el aire es una disolución gaseosa sin fuerzas de cohesión entre sus moléculas. Por ello, la perturbación únicamente

se propaga en la dirección en la que unas moléculas "chocan" con sus vecinas.

Otra forma de generar un pulso es estirar un pedazo del muelle en dirección perpendicular a él y soltar. Se forma una cresta o protuberancia que avanza a lo largo del muelle. En este caso, las vibraciones tienen lugar en una dirección perpendicular a la de

propagación y decimos que se trata de un pulso de onda transversal.

Un ejemplo de ondas transversales son las que se producen en la superficie de un lago o de un estanque. Entre las moléculas del agua se ejercen fuerzas intermoleculares de cohesión y la vibración vertical producida en un punto del agua se traslada por la superficie (horizontalmente) en todas las direcciones. La velocidad a la que se propagan las olas depende de la elasticidad del agua,

determinada a su vez por propiedades como su composición, densidad...

En el laboratorio grabamos varios clips de video que muestran el avance de pulsos longitudinales y transversales generados por los alumnos en un muelle largo y elástico.

Para terminar este apartado, conviene dejar claro el concepto fundamental de que en los procesos ondulatorios no se produce un transporte neto de materia. Este concepto se resalta en una animación Modellus en la que representamos capas de aire que simulan una onda sonora longitudinal y partículas vibrantes de

una onda transversal producida en una cuerda. Hemos destacado en color rojo una capa de aire y una partícula de la cuerda. Así se puede observar mejor que esa capa y esa partícula, como el resto, reproducen la vibración sin desplazarse por el medio. Mientras corre la aplicación se puede modificar el tiempo de retardo en vibrar cada capa o cada partícula respecto de la anterior y ver cómo afecta la

modificación al aspecto general de cada onda.

MAGNITUDES QUE DESCRIBEN UNA ONDA MECÁNICA ARMÓNICA

El movimiento de vibración más sencillo posible es el movimiento armónico simple. Si se genera este tipo de movimiento en un punto de un medio elástico (por ejemplo un resorte), ese punto actúa como foco de una onda armónica.

En la figura se representa una onda armónica transversal producida en una cuerda elástica. Es como si se hubiera hecho una fotografía en un cierto instante, mientras todos los puntos de la cuerda realizan un movimiento armónico simple perpendicular a la dirección de propagación. Para describir a la onda armónica, se definen las siguientes magnitudes:

La longitud de onda, l,igual a la distancia entre los centros de dos crestas o dos valles consecutivos.

El periodo, T que es el tiempo que tarda la perturbación en avanzar una longitud de onda.

La velocidad de propagación de la onda, c, que es la rapidez con

la que avanza la perturbación.

Estas tres magnitudes cumplen la siguiente relación c = l/T

Fijándonos en el movimiento de vibración de cada partícula, añadimos: La amplitud, A, máxima separación que alcanza cada partícula vibrante respecto de su posición de equilibrio; la frecuencia, n, número de oscilaciones que realiza por

unidad de tiempo; el periodo, T, tiempo que tarda en realizar cada oscilación y la pulsación w, equivalente a la frecuencia, pero expresada en radianes por segundo (una oscilación corresponde a 2p radianes)

El periodo de la onda coincide con el del movimiento de oscilación de cada partícula, puesto que mientras una partícula completa una oscilación, la vibración se transmite una distancia igual a la longitud

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