Ondas de Sonido

ONDAS Y SONIDO

Un movimiento ondulatorio es un proceso por medio del cual se trasmite energía de una parte a otra, sin que exista transferencia de materia, ya sea por ondas mecánicas o de ondas electromagnéticas. En cualquier punto de la trayectoria de propagación de una onda, se realiza un desplazamiento periódico, vibración u oscilación, en torno de la posición de equilibrio.

Las ondas mecánicas son aquellas ocasionadas por una vibración o perturbación inicial y que para su propagación en forma de oscilaciones periódicas requieren de un medio material. Ejemplo: las ondas producidas por un resorte, una cuerda, en el agua o en algún medio por el sonido.

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para su propagación, pues se difunden aun en el vacío. Ejemplo: luminosas, caloríficas, de radio.

Una onda mecánica representa la forma como se propaga la vibración o perturbación inicial, trasmitida de una molécula a otra en medios elásticos. Al punto donde se genera la perturbación inicial se le llama foco o centro emisor de ondas.

En las ondas mecánicas la que se desplaza o avanza es la energía de la onda y no las partículas del medio, pues, éstas se únicamente vibran u oscilan trasmitiendo la energía, pero conservan sus posiciones alrededor de puntos más o menos fijos. Esto se comprueba fácilmente si se colocan barquitos de papel en un estanque y a una distancia prudente de ellos se arroja una piedra; se observará que los barquitos ascienden y descienden por la propagación de la onda, pero no cambian de lugar.

En general, las ondas mecánicas trasmiten la energía por medio de la materia, debido a las perturbaciones ocasionadas en ella, pero sin que implique un desplazamiento total de la materia.

Así, cuando una perturbación ocasiona que una partícula elástica pierda su posición de equilibrio y se aleje de otras a las que estaba unida elásticamente, las fuerzas existentes entre ellas originarán que la partícula separada intente recuperar su posición original, produciendo las llamadas fuerzas de restitución. Ello provocará un movimiento vibratorio de la partícula, el cual se trasmitirá a las más cercanas, primero, y a las más alejadas, después.

De acuerdo con la dirección en la que una onda hace vibrar a las partículas del medio material, los movimientos ondulatorios se clasifican en longitudinales y transversales.

Ondas longitudinales.

Se presenta cuando las partículas del medio material vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda; tal es el caso de las ondas producidas por un resorte o también las que se producen en la propagación del sonido.

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Al tirar el cuerpo hacia abajo el resorte se estira y al soltarlo las fuerzas de restitución del resorte tratan de recuperar su posición de equilibrio, pero al pasar por ella, debido a la velocidad que lleva, sigue su movimiento por inercia comprimiendo el resorte. Por consiguiente, vuelven a actuar las fuerzas de restitución ahora hacia abajo y nuevamente el cuerpo pasa por su posición de equilibrio; sin embargo, por la inercia no se detiene, se estira de nuevo una y otra vez. Al repetirse estos movimientos sucesivamente el resorte se comporta como como un oscilador armónico, generador de ondas longitudinales.

Ondas transversales.

Se presentan 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, una moléculas empujan a otras, formando prominencias y depresiones circulares alrededor de la piedra. Como las moléculas de agua vibran (oscilan) hacia arriba y hacia abajo, en forma perpendicular a la dirección en la que se propaga la onda, ésta recibe el nombre de transversal.

Al mover hacia arriba y hacia abajo una cuerda o un resorte, fijos en uno de sus extremos, también se generarán ondas transversales que se propagan de un extremo a otro.

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Tren de ondas.

Si a una cuerda tensa y sujeta por uno de sus extremos se le da un impulso moviéndola hacia arriba, se produce una onda que avanza por las partículas de la cuerda, estas se moverán al llegarles el impulso y recobrarán su posición de reposo, cuando la onda pase por ellas. Si la cuerda se sigue moviendo hacia arriba y hacia abajo, producirá un tren de ondas periódico si el movimiento también lo es.

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Frente de onda.

Al dejar caer una piedra en un estanque, como ya se mencionó, se forman ondas transversales, cada onda tiene una cresta y un valle. Si los circulas de la siguiente figura representan todo los puntos de una onda que experimentan la misma fase, ya sea una cresta o un valle, al propagarse la onda los círculos se desplazarán generando otros de mayor tamaño. Cada circulo representa un frente de onda formado por todos los puntos de la onda con la misma fase, por eso puede decirse que cada punto de un frente de onda es un nuevo generador de ondas.

Al partir del centro emisor de las ondas, es decir, del lugar donde cayó la piedra, los diferentes frentes de onda avanzan al mismo tiempo y con una magnitud de velocidad constante.

Rayo

Frentes de onda

Rayo

Rayo o vector de propagación.

Es una línea que señala la dirección en que avanza cualquiera de los puntos de un frente de onda. Cuando la el medio en que se propaga la onda es homogéneo, la dirección de los rayos siempre es perpendicular o normal al frente de onda.

Las ondas también se clasifican según la forma en que se propagan, ya sea en una dimensión (unidimensionales), en dos (bidimensionales) o tres (tridimensionales).

Ondas lineales.

Son las que se propagan en una dirección o rayo. Tal es el caso de las ondas producidas por una cuerda o un resorte. Pueden transversales o longitudinales.

Ondas superficiales.

Son las que se difunden en dos dimensiones, como las ondas producidas en una lámina metálica o en la superficie de un líquido.

Ondas tridimensionales.

Son las que se propagan en todas direcciones, como el sonido, las electromagnéticas, la luz y el calor.

Características de las ondas.

Para referirnos a las características de las ondas, nos basaremos en las ondas transversales, la diferencia será que para las ondas longitudinales en lugar de crestas se tienen compresiones y en lugar de valles, expansiones.

Las características de las ondas son seis:

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

2. Frecuencia. Es el número de veces en el cual se realiza un ciclo completo de onda. Se mide comúnmente en ciclos/s, esto es, en Hertz (Hz).

1 Hertz = 1 ciclo/s

3. Periodo. Es el tiempo que tarde en realizarse un ciclo de la onda. Como puede notarse, el periodo es igual al inverso de la frecuencia y la frecuencia es igual al inverso del periodo. Por consiguiente:

T = 1/f f = 1/T

Dónde: T = periodo del ciclo en s/ciclo

f = frecuencia del ciclo en ciclos/s

4. Nodo. Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

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

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

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Rapidez o magnitud de la velocidad de propagación.

Es la distancia que una determinada cresta o valle recorren en un determinado tiempo, que generalmente es un segundo.

Está en función de la elasticidad y de la densidad del medio; mientras este es más elástico y menos denso, la rapidez de propagación será mayor.

La rapidez en un medio específico siempre es la misma y puede calcularse con la expresión:

v = λ/T

Dónde: v = rapidez o magnitud de la propagación en m/s

λ = longitud de onda en m/ciclo

T = periodo en s/ciclo

Como T = 1/f entonces: v = λ f

Dónde: f = frecuencia de onda en ciclos/s

Reflexión de las ondas.

La reflexión de las ondas se presenta cuando éstas encuentran un obstáculo que

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