Propagación de vibraciones. Ondas mecánicas

Ondas Mecanicas

Propagación de vibraciones. Ondas mecánicas

Se llama onda mecánica a la que se propaga en medios materiales. Un ejemplo arquetípico de onda mecánica es el sonido, que no se transmite en el vacío. Esta cualidad es importante si se compara con las ondas electromagnéticas (como la luz), que se propagan tanto en medios materiales como en el vacío.

Clasificación de las ondas

Las ondas se clasifican segun distintos criterios como:

a) el tipo de perturbación

b) la dirección de vibración

c) el sentido de propagación

a) Naturaleza de la perturbación:

a1. Las ondas mecánicas: son perturbaciones materiales o mecánicas como un golpe, una ruptura o una vibración. Su característica principal es que para propagarse necesitan de un medio material que puede ser un sólido, un liquido o un gas

Ejemplo: una onda sísmica necesita un medio sólido (tierra) para propagarse. El sonido también se propaga, pero su medio normal es el gaseoso (aire)

a2. Ondas electromagnéticas: las perturbaciones son de origen eléctrico y magnético. Las antenas emisoras de radio y televisión son de este tipo. La principal característica de este tipo de onda es que se propagan en el vacío, pero también lo pueden hacer en un medio material.

Ejemplo: la luz visible (en la foto), los rayos X y microondas.

b) Dirección de la vibración:

b1. Las ondas transversales: las partículas se mueven ciclicamente de arriba a abajo. La dirección en que vibran las moléculas del medio material por el que se propaga es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda.

Ejemplo: ondas superficiales en el agua, cuerda de guitarra.

b2. Ondas longitudinales: Estas hacen vibrar a las moléculas del medio en la misma dirección en que se propagan . Ejemplo: sonido emitido por platillos de una batería. Estas perturbaciones hacen que las moleculas de aire oscilen en la misma dirección en que se propaga el sónido.

c) Sentido de propagación:

c1. Ondas viajeras: la onda se propaga partiendo de una fuente y recorre grandes distancias. Ejemplo una onda de radio.

c2. Ondas estacionarias: se forman cuando una onda viajera se refleja invertida respecto de la onda incidente, en un extremo de un medio dado. En este caso ambas ondas se superponen, originando una onda que pareciera estar fija. Ejemplo: una cuerda de guitarra, flautas, el flameo de una bandera.

Las ondas estacionarias no se propagan libremente sino que están confinadas en una región del espacio.

c3. Ondas armónicas: Los pulsos que producen la vibración se suceden con un período fijo, es decir, están espaciadas con igual intervalo de tiempo. A este tipo de ondas se le denominaba periodicas.

Características y propiedades de las ondas

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda () y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión •f = c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.

Siendo las siguientes, las propiedades mas características de las ondas electromagnéticas.

Reflexión y Refracción

Polarización.

Difracción

Superposición e interferencia

Dispersión

Absorción

Interferencia entre dos ondas

Una característica muy importante del movimiento ondulatorio es el fenómeno de interferencia. Esto ocurre cuando dos o más ondas coinciden en el espacio y en el tiempo.

Consideremos dos fuentes S1 y S2 que oscilan en fase con la misma frecuencia angular y amplitudes A1 y A2. Sus ondas esféricas armónicas monocromáticas son:

y1(t) = A1 sen (wt + kr1)

y

y2(t) = A1 sen (wt + kr2)

donde r1 y r2 son las distancias desde cualquier punto a S1 y S2. La amplitud de las ondas en P no tienen la misma amplitud ya que esta disminuye según 1/r.

Cuando comparamos las ondas con la ecuación del MVAS y = A sen (t + ), las cantidades Kr1 y y Kr2 juegan el mismo papel que las fases iniciales.

Entonces el desfasaje entre los dos movimientos ondulatorios en cualquier punto P es:

 = Kr1 – Kr2 = 2/ (r1 – r2)

La amplitud resultante va a ser:

A =

y está comprendida entre (y1 + y2) y (y1 - y2) dependiendo de que sea cos =±1 

 = 2n ó (2n +1) .

En el primer caso tenemos máximo refuerzo de los movimientos ondulatorios, o interferencia constructiva, y en el segundo hay máxima atenuación o interferencia destructiva.

 2n interferencia constructiva  2n interferencia constructiva

 2/ (r1 – r2)

(2n +1)  interferencia destructiva (2n +1)  interferencia destructiva

 n interferencia constructiva

es decir : r1 – r2 =

(2n +1) /2 interferencia destructiva

Cuando r1 – r2 sea igual a , 2, 3...los movimientos se refuerzan. Cuando r1 – r2 sea igual a 1/2, 3/2, 5/2...los movimientos se atenúan. Tendremos una sucesión de superficies nodales y ventrales. r1 – r2 = cte define una hipérbola cuyos focos son S1 y S2

En cada punto del espacio, el movimiento ondulatorio tiene una amplitud distinta dada por:

A =

La razón es que las dos fuentes oscilan con la misma frecuencia y mantienen un desfasaje constante, y se dicen que son coherentes. Si las fuentes no son de la misma frecuencia, o si sus desfasajes cambian en el tiempo, no se observa diagrama de interferencia. Esto es lo que ocurre con fuentes ordinarias de luz.

En el siguiente applet mostramos la suma de dos ondas en las que podemos modificar la diferencia de fase, entre otras cosas. Suma las ondas en fase y en oposición de fase

Se produce interferencia cuando varias ondas coinciden en un mismo punto del medio por el que se propagan. Las vibraciones se superponen y el estado de vibración resultante del punto es la suma de los producidos por cada onda.

Para practicar este concepto hemos

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