Naturaleza, movimiento y clasificación de las ondas Características y representación de las ondas Fenómenos ondulatorios

                                                                                SEMANA 1

¿Qué voy a aprender?                                                                            

-Reconocer la importancia del estudio del movimiento ondulatorio en el desarrollo de las  

 comunicaciones, la medicina, la educación

-Repasar y comprender las características físicas y gráficas del movimiento armónico simple  

 identificando las variables que entran en la formación de ondas

-Describir y representar como se producen y forman ondas mecánicas y electromagnéticas

¿Qué actividades hare?

ACTIVIDAD DE AUTOFORMACION  

Empezaremos observando un video

https://www.youtube.com/watch?v=JmZkwGR23ek

https://www.youtube.com/watch?v=sQeUEooBGto

Ahora lee críticamente los siguientes apuntes

El estudio de las ondas es importante, para la comprensión de gran cantidad de fenómenos físicos, como: las ondas sísmicas producidas por la vibración de las placas tectónicas, las ondas producidas en la superficie del agua al ser perturbada por un objeto, las ondas sonoras producidas por la vibración de las cuerdas vocales, las ondas luminosas producidas por la vibración de campos electromagnéticos

Las comodidades con las que contamos en nuestra cotidianidad, como: la internet, la telefonía móvil, la televisión por cable, el horno microondas, los controles remotos, entre otros, se deben a la aplicación, comprensión y buen uso que el hombre ha logrado del movimiento ondulatorio

Con el fin de comprender estos fenómenos, vamos a estudiar la producción y propagación de las ondas y la forma como interfieren con la materia y otras ondas

                                               Naturaleza y producción de ondas

Para el análisis de los fenómenos ondulatorios debemos definir algunos conceptos y su representación gráfica

Ondas: son perturbaciones producidas en un medio material o en el espacio vacío por cuerpos o partículas que oscilan. Estas perturbaciones tienen la propiedad de viajar en el espacio material o vacío y en el tiempo, transportando energía y cantidad de movimiento, sin que halla transporte de masa.

Cuando las ondas(perturbación), necesitan de un medio material para propagarse se les denomina ondas mecánicas y aquellas que se pueden propagar en el espacio vacío se les llama ondas electromagnéticas

Producción y propagación de ondas mecánicas

Cuando golpeamos la superficie del agua estancada las moléculas de la superficie donde se golpea oscilan de abajo hacia arriba, perturbando esta oscilación a las moléculas vecinas y propagándose por toda la superficie

La oscilación de las moléculas produce la perturbación de las moléculas vecinas, se requiere de las demás moléculas de la superficie del agua, para que la perturbación se propague en toda la superficie, sin que las primeras moléculas se hallan tenido que trasladar por la superficie. A la propagación de la perturbación es lo que llamamos onda 

Movimiento ondulatorio, es la propagación en el espacio - tiempo de las perturbaciones producidas en el tiempo por un cuerpo que oscila, la propagación de las perturbaciones u ondas viajan en el espacio tiempo transportando energía y cantidad de movimiento sin que haya desplazamiento de masa

¿Qué tipos de ondas se presentan en la naturaleza?

Las ondas se clasifican de acuerdo a los siguientes criterios:

Según el medio de propagación en:

  - Mecánicas, son aquellas que requieren para propagarse de un medio elástico que vibre,                    

    como las ondas en el agua y el sonido

 - Electromagnética, son ondas que se propagan en el vacío, como la luz

De acuerdo al número de oscilaciones en:

  - Pulso o perturbación, es aquél en el cual cada partícula del medio permanece en reposo, hasta  

   que llega el impulso realiza una oscilación con MAS y después permanece en reposo

- Ondas periódicas, son aquellas en las cuales las partículas del medio tienen movimiento      

    periódico debido a que la fuente perturbadora vibra continuamente

  - Ondas armónicas, si la fuente que las produce vibra con MAS

De acuerdo con la dirección de propagación en:

 - Ondas transversales, son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran  

    perpendicularmente a la dirección de propagación de las ondas, ejemplo las ondas de radio

 - Ondas longitudinales, se caracterizan porque las partículas del medio vibran en la misma  

    dirección de propagación de la onda, ejemplo las ondas sonoras                                              

 De acuerdo con el número de dimensiones en que se propagan

  - Ondas unidimensionales, se propagan en una dimensión

  - Ondas bidimensionales, se propagan en dos dimensiones

  - Ondas tridimensionales, se propagan en tres dimensiones

                                                                       ACTIVIDAD 1

                                                                  I.E.D CARLOS MEISE

                                                       Actividad de evaluación sobre ondas

DOCENTE: Carlos Reales C.  ASIGNATURA: FÍSICA                CORREO:  creales55@hotmail.com 

NOMBRE DEL ESTUDIANTE:                                                                                    GRADO:11°                                                          

Fecha de Entrega: 09 – 08 – 2021

Responda las siguientes situaciones justificando la respuesta seleccionada

1. Al lanzar una piedra al agua, se produce una onda que se aleja de la fuente y finalmente desaparece. Lo que se propaga por el lago es:

       A.  La energía que la piedra le transmite al agua.                            

       B.  Una capa superficial de agua que puede vibrar.

       C.  El aire que se encuentra entre dos capas de agua.                  

       D.  El agua que inicialmente se encontraba en reposo.

       2.  

[pic 2]

          Una llave de agua gotea continuamente como muestran las figuras. La perturbación que se produce en el punto        

         donde cae la gota se propaga a lo largo de la superficie del agua. En esta situación, se puede afirmar que:

1. La perturbación avanza hacia las paredes del recipiente sin que haya desplazamiento de una porción de agua        

hacia dichas paredes.

1. La porción de agua afectada por el golpe de la gota se mueve hacia las paredes del recipiente.

       C.    Si él líquido en el que cae la gota no es agua, la perturbación no avanza.

       D.    La rapidez de propagación de la perturbación depende únicamente del tamaño de la gota que cae.

3. Cuando se hayan establecido colonias de hombre en la luna, deberán utilizar aparatos de radio para su comunicación, esto se debe a que:

A. La gravedad es menor que en la tierra.                

B. Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío.

C. Las ondas de radio son transversales.                  

D. La presión atmosférica es menor en la luna.

4. El movimiento ondulatorio en un medio material implica:

A.  la propagación de una perturbación.

B.  interacciones de partículas.

C.  transferencia de energía.

D. todo lo anterior.

5. Una onda en agua es:

A. transversal.

B. longitudinal.

C. una combinación de transversal y longitudinal.

D. nada de lo anterior.

                                                                 SEMANA 2

Característica de una onda

Para representar una onda transversal utilizamos la función o la curva sinusoide, congelada en t=0

[pic 3]

Cresta, parte superior de la onda

Valle, parte inferior de la onda

Punto medio de vibración, representados por la línea perpendicular al desplazamiento oscilatorio en el punto de la posición inicial de oscilación

Amplitud(A), distancia entre los puntos medios de vibración y el punto más alto de una cresta o más bajo de un valle

Longitud de onda(λ), es la distancia entre cualquier par de puntos sucesivos que vibran con las mismas condiciones o están en fase (que tengan  la misma elongación y se muevan en el mismo sentido), en particular es la distancia desde la cima de una cresta hasta la cima de la siguiente

Periódo(T), tiempo que tarda la onda en recorrer una longitud de onda o realizar una vibración completa

Frecuencia(f), rapidez de repetición de una vibración o la cantidad de vibraciones en un tiempo determinado, la frecuencia se mide en Hertz(Hz) = 1/s = s-1. La fuente de todas las ondas es algo que oscila, luego la frecuencia de la fuente que oscila y la frecuencia que produce en la onda son iguales. Además, la frecuencia y el periodo son recíprocos, entonces: f = 1/T 

Frecuencia angular o cíclica(ω), en el MAS, se dedujo que la velocidad angular, llamada frecuencia angular y representada por ω= 2π/T, esta frecuencia del MAS es heredada por la onda con el nombre de frecuencia cíclica y representa el número de periodos que contiene un ángulo de 2 π rad  

Vamos a analizar el movimiento ondulatorio de ondas armónicas, generadas por partículas que oscilan con MAS, las cuales les transmiten a las ondas su frecuencia, períodos T y velocidad angular o frecuencia cíclica

Velocidad de propagación de las ondas en el movimiento ondulatorio,

La velocidad de propagación es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo (el periodo). Matemáticamente se expresa así:  v = λ/T

También se puede expresar teniendo en cuenta la relación entre el período y la frecuencia. Sustituyendo la frecuencia (f = 1/T) en la ecuación de arriba:  v = λ · f

En el Sistema Internacional (SI), la velocidad de una onda se mide en m/s. Cuando la onda pasa de un medio a otro distinto, la velocidad con que se propaga se modifica, al igual que la longitud de onda. Pero la frecuencia se conserva.

                                                                                     [pic 4]

[pic 5]

Ecuación de las ondas unidimensionales sinusoidales.

Las ondas sinusoidales se producen cuando un cuerpo vibra con M.A.S.  y este no se distorsiona al propagarse. En general, toda onda se puede considerar como superposición de ondas sinusoidales. Un movimiento vibratorio sinusoidal es doblemente periódico porque es función del desplazamiento de la onda y del tiempo.

Por ello se expresa la elongación en función del desplazamiento y el tiempo:  y (x,t). En el origen, la ecuación del MAS que origina la onda es: y(0,t)= A sen(w t) en la cual w =2 π /T  =2 π f es la pulsación o  

 frecuencia angular de la onda. La elongación y de un punto cualquiera x de la onda (x > 0) varía también con el tiempo, pero presenta un desfase respecto del origen. Por eso se escribe la ecuación de cualquier punto de la onda: y (x, t) = A sen (w t!).

Como la velocidad v de la onda que se propaga por un medio homogéneo e, es constante, el desfase, depende de la distancia x del punto al origen. Si la onda viaja hacia la derecha en un tiempo: t!= t – x/v, ella se encuentra en el punto x a la derecha del origen, por lo tanto la ecuación que describe la posición de cualquier punto de la onda es: y(x,t) = Asen[ω(t – x/v)] = Asen(ωt – ω x/v)

Anteriormente dijimos que el movimiento vibratorio sinusoidal de una onda es doblemente periódico porque es función del desplazamiento de la onda y del tiempo. Por esta razón se acostumbra a expresar la ecuación o función de una onda en términos de los periodos temporal y espacial.

Sabemos que la velocidad de propagación de una onda es: v = λ/T y la frecuencia angular es ω = 2π/T de estas dos relaciones podemos deducir: ω/v = 2π/ λ.  Al remplazar esta relación en la función de onda nos queda:  y(x,t) = Asen[2πf(t – x/v)] = Asen(ωt – kx). Donde definimos al parámetro k = 2π/ λ, como el número de ondas que contiene un ángulo de 2π y le llamamos número de onda angular (rad/m)

Ejemplo

La ecuación de una onda, en unidades del S.I., que se propaga por una cuerda es:

                            y(x,t) = 0,05 cos 2 π (4 t − 2 x) 1.

Determina las magnitudes y características de la onda (amplitud, frecuencia angular, número de onda, longitud de onda, frecuencia, periodo, velocidad de propagación).

1. Deduce las expresiones generales de la velocidad y aceleración transversal de un elemento de la cuerda y sus valores máximos.
2. Determina los valores de la elongación, velocidad y aceleración de un punto situado a 1 m del origen en el instante t = 3 s.

 SOLUCIÓN

1. Operando en la expresión de la onda: y(x,t) = 0,05 cos(8 π t − 4 π x) y comparando con la expresión general: y(x,t) = A cos(ω t − k x) se tiene que:

[pic 6]

[pic 7]

[pic 8]

                                                                                ACTIVIDAD 2

                                                                        I.E.D CARLOS MEISEL

                                               Actividad de evaluación sobre características de las ondas

DOCENTE: Carlos Reales C.  ASIGNATURA: FÍSICA                CORREO: creales55@hotmail.com 

NOMBRE DEL ESTUDIANTE: _______________________________________      GRADO: 11°    

FECHA DE ENTREGA: 16 – 08 – 2021

Responda las siguientes situaciones justificando la respuesta

1. ¿La frecuencia de una onda periódica simple es igual a la frecuencia de su fuente? ¿Por qué?
2. Si en una onda duplicamos la frecuencia que, ¿qué pasa con el periodo?
3. Una onda vibra 3 veces en un segundo y en ese tiempo se propaga una longitud de 60cm, calcula:

1. Su frecuencia
2. Su periodo
3. Su longitud de onda
4. Su rapidez

1. La función de una onda esta dada por y(x,t) = 5sen(4x – 5t) determina su

1. Amplitud
2. Número de onda
3. Frecuencia
4. Velocidad de propagación

1. Una onda tiene las siguientes características: longitud de onda 50cm, amplitud 5cm y frecuencia 2Hz. Escribe la función de onda asociada