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Colegio El Valle Sanchinarro

Dpto. Ciencias Asignatura: CCNN 2º ESO

Ficha teóricaLas ondas

Revisado:08/05/2023

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TEMA 4. Las ondasFRASES PARA ENTENDER Y RECORDAR

La mayoría de los comportamientos observados en la naturaleza están relacionados con las ondas o los fenómenos ondulatorios: las imágenes que vemos, los sonidos que oímos, la sensación de frío y de calor…

Decir onda es equivalente a decir fenómeno ondulatorio.

Un medio puede modificarse por muchas razones o causas. La modificación de un medio implica que sus partículas cambian alguna de sus propiedades, por ej. la posición, la velocidad, la distancia entre ellas…

Si la modificación consiste en un cambio del medio, que posteriormente vuelve a su situación original al cesar la causa, decimos que el medio es elástico y a la modificación la llamamos vibración.

Las vibraciones de las partículas son movimientos de las partículas del medio que consisten en un vaivén con respecto a su posición original de equilibrio.

Las ondas son un fenómeno natural resultado de las vibraciones del medio; transportan energía pero no materia a lo largo de su propagación por el medio.

Es posible que el fenómeno necesite materia para propagarse o no, y hablamos de ondas mecánicas y electromagnéticas. Estas últimas también se propagan en los medios materiales

Si nos fijamos, vemos y sentimos ondas por todas partes: las olas del mar, el calor del sol, una piedra que cae en un estanque, nuestras palabras, las cuerdas de un instrumento, un muelle, una goma, las imágenes, la radio, la TV, el microondas, el mando a distancia…

Las ondas viajan o se propagan de un punto a otro, no son un fenómeno estático, sino que implican movimiento: sin movimiento no hay onda.

Se desplaza la propagación y la E asociada a ella, pero no las partículas, que se limitan a vibrar.

Las ondas se propagan desde un punto hacia el medio que lo rodea en todas las direcciones.




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La E es capacidad para producir cambios; en este caso el cambio es una perturbación del medio que consiste en la oscilación de las partículas.

1.Caracterización de las ondas (fotocopia apuntes de los chicos: definición y representación)

Definición:Todos tenemos una idea intuitiva del movimiento de los objetos y de nosotros mismos. En

este tipo de movimiento es un cuerpo el que se desplaza a través de un medio, es decir, se desplaza materia y la energía que lo acompaña. Existe otro tipo de movimiento en el que se desplaza una perturbación, que implica energía, pero no materia a través de un medio (material o no). A este tipo de movimiento lo llamamos onda.

Onda (o fenómeno ondulatorio) es una perturbación (o modificación) de un medio, que se propaga (o viaja) a través del mismo, transportando energía pero no materia.

Existen muchos tipos de ondas, tales como las ondas del sonido, las ondas de radio, la luz, la radiación del calor, las ondas sobre la superficie de un lago, los tsunamis, los movimientos sísmicos, etc. Cuando la onda tiene lugar en un medio líquido o gaseoso se denomina onda acústica. Cuando resulta audible, se llama onda sonora.

Foco de la onda: punto donde se origina o del que parte la perturbación.

ONDAS PERIÓDICAS Y ONDAS APERIÓDICAS

Ondas periódicasIntrodujimos el concepto de propagación de las ondas mediante una única perturbación en

un medio. En realidad, la mayoría de las ondas son el resultado de muchas perturbaciones sucesivas del medio, y no sólo una. Cuando dichas perturbaciones se producen a intervalos regulares y son todas de la misma forma, estamos en presencia de una onda periódica, y el número de perturbaciones por segundo se denomina frecuencia de la onda. Se expresa en Hertz (Hz), es decir ciclos por segundo (un ciclo es todo lo que sucede durante una perturbación completa). En el caso de las ondas sonoras la frecuencia está entre 20 Hz y 20000 Hz. Las ondas acústicas de menos de 20 Hz se denominan infrasonidos, y los de más de 20000 Hz se llaman ultrasonidos. Por lo general, ni unos ni otros son audibles por el ser humano. Algunos animales (por ejemplo el perro) pueden escuchar sonidos de muy baja frecuencia, tales como los creados por las ondas sísmicas durante un terremoto. Por esta razón los animales se muestran inquietos en los instantes previos a los terremotos: pueden escuchar la señal de advertencia que resulta inaudible para el ser humano. En forma similar, algunos animales escuchan ultrasonidos. El murciélago es un caso notable, ya que escucha sonidos de más de 100000 Hz, que le permite orientarse por medio de señales acústicas según el principio del sonar (semejante al conocido radar).

Ondas aperiódicasAun cuando muchos sonidos son aproximadamente periódicos, como los sonidos producidos

por los instrumentos musicales de altura determinada (guitarra, flauta, piano), la vasta mayoría de los sonidos naturales son aperiódicos, es decir que las sucesivas perturbaciones no se producen a intervalos regulares y no mantienen constante su forma de onda. Esto es lo que técnicamente se denomina ruido. Las ondas aperiódicas en general no producen sensación de altura. Algunos ejemplos son el ruido urbano, las consonantes, el ruido del mar, y el sonido de muchos instrumentos de percusión tales como los tambores o los platillos.




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En el caso del ruido o de los sonidos aperiódicos, la amplitud puede estar cambiando continuamente. En este caso se acostumbra a obtener algún tipo de promedio.

Representación:Las ondas se representan mediante arcos de circunferencia paralelos y también mediante líneas sinusoidales o en zig-zag.

)))))))))))))))

Para representar las características de las ondas se emplea la sinusoide.

Transmisión de una onda por un medioAntes de que la onda se propague, los puntos que representan el medio se encuentran en

cierta posición; se dice que están en equilibrio. Cuando se propaga la perturbación varían sus posiciones con un movimiento que consiste en un vaivén con respecto a su posición original de equilibrio, de manera que se alejan y acercan de su posición inicial, es decir, vibran, y dejan de estar en equilibrio. La onda se propaga por vibración de las partículas del medio.

Energía que transporta una ondaPara hacernos una idea más completa de lo que significa una onda damos a continuación la expresión que nos da la energía que transporta una onda. Es algo orientativo, no se debe tomar como algo importante a un nivel de 2ºESO.

Lo importante de la expresión anterior es observar que la E depende de la amplitud al cuadrado y de

la frecuencia al cuadrado, o del periodo al cuadrado (frecuencia x periodo=1; )

Y en simbología conocida: E=f(A,ν2) = f(A,1/T2)

Propiedades de las ondas. Identificación de ondasPara identificar o caracterizar cualquier objeto, nos fijamos en sus propiedades, las definimos

y las comparamos con otros objetos parecidos y con los diferentes. Por ejemplo, si queremos caracterizar un caballo nos fijamos en sus propiedades y las definimos: altura hasta la

cruz, color, tamaño y modo de colocar las orejas, tamaño y forma de la cabeza, etc. Con estas propiedades somos capaces de diferenciarlo de otros seres, de agrupar todos los caballos y distinguir sus razas.Una persona se caracteriza por su color de piel, su idioma, su DNI, su nacionalidad, etc. Para definir las propiedades de las ondas nos basamos en su representación. Algunas de las propiedades de las ondas que vamos a definir se pueden medir, por lo que hablaremos de magnitudes o de propiedades.




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Propiedades que no se miden

)))))) Línea de equilibrio o eje de equilibrio: línea que representa puntos del medio en equilibrio, es decir, línea que representa al medio antes de la perturbación.

)))))) Puntos de una onda : puntos que representan las posiciones en las que se encuentra una onda. El resultado de la unión de todos los puntos es la línea que representa la propagación de la onda.

)))))) Puntos de equilibrio de una onda o nodos: puntos que se encuentran en las posiciones de equilibrio iniciales, es decir, como si la onda no les afectase, y son precisamente los cortes de la línea de la onda con el eje de equilibrio.

)))))) Puntos equivalentes de una onda: aquellos en los que la onda se encuentra en la misma posición con respecto al eje de equilibrio y que se van repitiendo a lo largo del movimiento ondulatorio.

)))))) Oscilación o movimiento completo de una onda: trayectoria o recorrido realizado por una onda al desplazarse desde un punto hasta otro equivalente. Su nombre más correcto es ciclo.

)))))) Crestas y valles(o vientres) de onda: Las líneas sinusoidales presentan dos zonas en las que los puntos que representan la onda se encuentran alejados al máximo del eje de referencia: en unas ocasiones tienen forma de valle y en otras, forma de cresta de montaña.

Nota importante: hemos de diferenciar entre la dirección de propagación de la onda y la dirección en que vibran las partículas del medio. En este caso las partículas del medio vibran en una dirección perpendicular a la dirección en que la onda se propaga, pero la vibración de las partículas podría darse en cualquier dirección. Las partículas vibran y la onda se propaga.

Elementos para representación Indicación o representación

puntos equivalentes

nodos

Línea o eje de equilibrio

Propiedades de las ondas que se pueden medir: Magnitudes de las ondas

)))))) El desplazamiento de una onda a lo largo del medio de propagación se caracteriza con la magnitud “longitud de onda”, cuyo símbolo es la letra griega λ, [lambda]. Es la distancia que hay

Dirección de

vibración de

Dirección de propagación de la onda




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entre dos puntos equivalentes consecutivos de la onda. En la representación de la onda anterior, tanto con arcos, sinusoides o segmentos, tenemos marcadas las longitudes de onda.

)))))) El desplazamiento de la partícula que vibra en el medio se caracteriza con la magnitud “amplitud”, que simbolizamos con A. Su unidad en el S.I. es el metro. La amplitud se interpreta como la presión sonora máxima de cada ciclo.

)))))) La magnitud relacionada con el t en fenómenos ondulatorios es el “periodo“, T, definido como el tiempo que tarda una onda en realizar un ciclo (o una oscilación completa). Se mide en s en el S.I.

)))))) La magnitud relacionada con la velocidad de vibración de las partículas del medio es la “frecuencia”, simbolizada con la letra griega ν, [nü]. Se define como el número ciclos (o vibraciones completas) que una onda realiza durante la unidad de tiempo (o por unidad de tiempo, es decir, durante un segundo). En general, es el número de veces por segundo que ocurre algún fenómeno. Se mide en hertz1, cuyo símbolo es Hz y su equivalencia en unidades del S.I. es: s-11 Hz = 1/s = s-1

Un ciclo equivale a una vibración completa.A continuación un esquema donde se representan las magnitudes de las ondas.Tomamos como ejemplo una onda cuya frecuencia es ν=3s-1 y su periodo T=0,3s.

2.Relación entre las magnitudes de las ondas

1 Hz es la abreviatura de la unidad de frecuencia llamada hertz, a veces hertzio. Este nombre especial es un homenaje al físico alemán Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894). En términos del S.I. equivale a “un segundo a la menos uno”, s-1. Hertz se había casado en el verano de 1886; el 1 de noviembre de ese mismo año, con 29años y al lado de su esposa, que siempre se interesaba por sus trabajos, investigando sobre descargas eléctricas, descubrió por azar las ondas de radio, algo que en aquellos tiempos, fue una revolución tecnológica que afectó profundamente a la humanidad.

T=0,3s

ν

Aλ

tiempo/s

0s 0,3s 0,6s 1s

t/sOrigen de tiempos




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La velocidad es una magnitud definida en la cinemática como la relación entre S recorrido y t transcurrido.

, de otro modo más general, la v depende del S y el t:

Si se trata de ondas el concepto no varía, pero el espacio y el tiempo serán los correspondientes a las magnitudes de las ondas, es decir, la longitud de onda y el periodo: Y de modo general:

No confundir la v de la onda con la v con que vibran las partículas.

Si nos fijamos bien en las definiciones de T y ν deducimos que son magnitudes inversas2:T es el tiempo que tarda en desarrollarse una vibración, por ejemplo 0,3s en la representación.

ν es el número de ciclos que la onda realiza en un segundo, en nuestro caso 3s-1. Si multiplicamos ambos valores: tanto en este caso como en

cualquier otro, el resultado es 1 y no lleva unidades, con lo cual recordamos la expresión anterior y las relacionadas:

3.Clasificación de las ondasLas ondas pueden clasificarse según dos criterios:

1) Según las direcciones de propagación de la onda y de vibración de las partículas del medio Si coinciden hablamos de ondas longitudinales y si son perpendiculares de ondas transversales.

Onda transversal Onda longitudinal

Ejemplos: onda de una cuerda, las ondas luminosas, aunque la estructura de éstas es más compleja

Ejemplos: movimiento de un resorte como indica el dibujo; el sonido.

Existen otro tipo de ondas que son en parte longitudinales y en parte transversales; son las llamadas ondas superficiales. Ejemplos son las olas del mar y las ondas sísmicas.

En este caso, las partículas vibran perpendiculares a la dirección de la onda, pero también se desplazan un poco en dicha dirección.2) Según el medio en que se propagan sea material

o no: 2 No confundir inverso con opuesto: -3 es el opuesto de 3 y el inverso de -1/3.




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Cuando las ondas necesitan medios materiales elásticos (sólido, líquido o gaseoso) para su propagación decimos que son mecánicas y cuando no lo necesitan, es decir, pueden propagarse tanto en medios materiales como en el vacío, hablamos de ondas electromagnéticas.

Ondas mecánicas: Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas y las ondas sonoras.Ondas electromagnéticas: aquellas que se propagan por el espacio sin necesidad de un medio pudiendo, por tanto, propagarse en el vacío. Ejemplo son las ondas luminosas.

4.Propagación de las ondas de un medio a otro. Fenómenos ondulatorios o fenómenos que experimentan las ondas

En general, llamamos fenómenos ondulatorios a lo que ocurre cuando las ondas pasan de unos medios a otros. Los medios son diferentes en cuanto a densidad y naturaleza de las uniones de las partículas que los forman. Las ondas experimentan varios fenómenos ondulatorios:

* Reflexión * Refracción * Dispersión

* Transmisión * Difracción * Interferencia

La velocidad de las ondas depende del medio en el que lo hagan: refracciónCuando una onda se propaga y en su recorrido debe cambiar medio, su dirección de propagación varía en prácticamente la totalidad de los casos posibles. Cuando la dirección de incidencia es perpendicular a la superficie de separación de los medios (ángulo de incidencia = 0º) la dirección no varía. La variación de la dirección puede ocurrir de dos formas diferentes:

Puede ocurrir que regrese al mismo medio, y decimos que se refleja, que la onda ha experimentado el fenómeno de la reflexión, o que se ha reflejado: la onda “rebota”.Puede pasar totalmente al otro medio, y decimos que se refracta, que la onda ha experimentado el fenómeno de la refracción o que se ha refractado. Puede que parte continúe en el mismo medio y parte pase al otro, y decimos que se refleja y que se refracta. La proporción en que esto ocurre depende de la densidad y naturaleza de las uniones de las partículas del otro medio. Si una onda pasa de un medio menos denso a otro más denso, gran parte de ella se refleja y sólo una pequeña se transmite al otro medio.

En el siguiente esquema simbolizamos los medios con una línea, más gruesa cuanto más densa es el medio. Vemos una secuencia de tres situaciones:

Ambos medios están en equilibrio, aún no hay

perturbación

Una onda se propaga por el medio menos denso sin haber alcanzado aún el medio denso




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La onda alcanza la zona de separación de ambos medios y parte de la perturbación pasa al

medio más denso y parte se refleja al menos denso

Nota: un pulso es una oscilación completa

DEFINICIONES BÁSICAS

Algunas definiciones y simbologías básicas para entender los fenómenos ondulatorios.Onda reflejada, onda incidente, onda refractada, rayo, rayo incidente, rayo refractado, rayo reflejado, punto de incidencia, plano de incidencia, normal, ángulo de incidencia, ángulo de reflexión, ángulo de refracción.Cuando la onda va camino a un lugar, se dice que es una onda incidente. Cuando se devuelve, decimos que es una onda reflejada.

5.opo




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