FENOMENOS ONDULATORIOS MECANICOS

UNIDAD 4: FENÓMENOS ONDULATORIOS MECÁNICOS (10 h)

Equipo	4.1 Generalidades.	4.2 Parámetros que caracterizan el movimiento ondulatorio	4.3 Magnitudes relativas a fenómenos ondulatorios.	. 4.4 Fenómenos ondulatorios: reflexión, refracción, difracción, interferencia y resonancia de  ondas
1	Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Los conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido, pero, inversamente, los fenómenos sonoros permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento ondulatorio.	El movimiento ondulatorio aparece en casi todos los campos de la Física. Sin duda alguna, la noción más intuitiva que tenemos del movimiento ondulatorio está asociada con las ondas producidas por el viento o alguna otra perturbación sobre la superficie del agua. Oímos un foco sonoro por medio de las ondas (ondas sonoras) que se propagan en el aire o en cualquier otro medio material- y las vibraciones del propio foco (ejemplos: la cuerda de una guitarra, la columna de aire en un tubo sonoro, etc. ) constituyen una onda denominada onda estacionaria. Muchas de las propiedades de la luz se explican satisfactoriamente por medio de una teoría ondulatoria, estando firmemente establecido hoy día que las ondas luminosas tienen la misma naturaleza que las radiondas, las radiaciones infrarrojas y ultravioletas, los rayos X y la radiación gamma. Uno de los progresos más importantes de la Física del siglo XX ha sido el descubrimiento de que toda la materia está dotada de propiedades ondulatorias (ondas de materia) y que, por ejemplo, un cristal difracta del mismo modo un haz de electrones que un haz de rayos X.	Reflexión Sabemos, que una onda está caracterizada por un frente de onda, que son los puntos de propagación de la onda que poseen igual fase. Se denomina rayo, a un vector imaginario cuya dirección es perpendicular al frente de onda y su sentido es el de propagación del mismo. Cuando un rayo se refleja en una superficie, se denominan: ángulo de incidencia, al formado por el rayo incidente y la normal; ángulo de reflexión, al formado por el rayo reflejado y la normal. Siendo la normal, la perpendicular a la superficie, esquematizado en la figura siguiente. Refracción Si una onda pasa de un medio a otro distinto, (por ej. distinta densidad), ésta cambia su velocidad y se produce una desviación de la dirección de propagación de la onda. Esto es lo que se denomina refracción Difracción e Interferencia  La difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. RESONANCIA  Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima. La frecuencia natural es aquella a la que el sistema vibraría si lo desviáramos de su posición de equilibrio y lo dejáramos moverse libremente. Si se excita un sistema mediante la aplicación continuada de fuerzas externas con esa frecuencia, la amplitud de la oscilación va creciendo y puede llevar a la destrucción del sistema.	El movimiento ondulatorio se mide por la frecuencia, es decir, por el número de ciclos u oscilaciones que tiene por segundo. La unidad de frecuencia es el hertz (Hz), que equivale a un ciclo por segundo. Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Algunas clases de ondas precisan para propagarse de la existencia de un medio material que haga el papel de soporte de la perturbación; se denominan genéricamente ondas mecánicas. El sonido, las ondas que se forman en la superficie del agua, las ondas en cuerdas, son algunos ejemplos de ondas mecánicas y corresponden a compresiones, deformaciones y, en general, a perturbaciones del medio que se propagan a través suyo. Sin embargo, existen ondas que pueden propasarse aun en ausencia de medio material, es decir, en el vacío. Son las ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas luminosas. Independientemente de esta diferenciación, existen ciertas características que son comunes a todas las ondas, cualquiera que sea su naturaleza, y que en conjunto definen el llamado comportamiento ondulatorio, El tipo de movimiento característico de las ondas se denomina movimiento ondulatorio. Su propiedad esencial es que no implica un transporte de materia de un punto a otro. Las partículas constituyentes del medio se desplazan relativamente poco respecto de su posición de equilibrio. Lo que avanza y progresa no son ellas, sino la perturbación que transmiten unas a otras. El movimiento ondulatorio supone únicamente un transporte de energía y de cantidad de movimiento. Junto a una primera clasificación de las ondas en mecánicas y electromagnéticas, es posible distinguir diferentes tipos de ondas atendiendo a criterios distintos. En relación con su ámbito de propagación las ondas pueden clasificarse en:   Monodimensionales: Son aquellas que, como las ondas en los muelles o en las cuerdas, se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio.   Bidimensionales: Se propagan en cualquiera de las direcciones de un plano de una superficie. Se denominan también ondas superficiales y a este grupo pertenecen las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él. Atendiendo a la periodicidad de la perturbación local que las origina, las ondas se clasifican en:   Periódicas: Corresponden a la propagación de perturbaciones de características periódicas, como vibraciones u oscilaciones que suponen variaciones repetitivas de alguna propiedad. Así, en una cuerda unida por uno de sus extremos a un vibrador se propagará una onda periódica.   No periódicas: La perturbación que las origina se da aisladamente y en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas, como en el caso de las fichas de dominó, se denominan también pulsos. Según que la dirección de propagación coincida o no con la dirección en la que se produce la perturbación, las ondas pueden ser:   Longitudinales: El movimiento local del medio alcanzado por la perturbación se efectúa en la dirección de avance de la onda. Un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.   Transversales: La perturbación del medio se lleva a cabo en dirección perpendicular a la de propagación. En las ondas producidas en la superficie del agua las partículas vibran de arriba a abajo y viceversa, mientras que el movimiento ondulatorio progresa en el plano perpendicular. Lo mismo sucede en el caso de una cuerda; cada punto vibra en vertical, pero la perturbación avanza según la dirección de la línea horizontal. Ambas son ondas transversales.
2	Es el proceso por el cual se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas magnéticas o electromagnéticas.	En una onda podemos observar; la amplitud, longitud de onda, período, frecuencia, velocidad de la onda, y la ecuación de onda.	Amplitud (A): Elongación (x): Fase Período (T):  Frecuencia (f) Velocidad del movimiento ondulatorio (v)	La reflexión es el cambio de dirección de un rayo. La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. La difracción se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La interferencia es un fenómeno característico de todo movimiento ondulatorio, trátese de ondas en el agua, ondas sonoras u ondas de luz La resonancia de ondas es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada.
3		Una onda es la propagación en el espacio de una perturbación armónica. Parámetros de una onda: En toda onda se definen los parámetros:     y   perturbación que experimenta un punto x en el instante t     A  valor máximo de la perturbación     l  longitud de onda es el espacio que avanza la onda en un período T     k   número de onda    k = 2 · p /  l     w  pulsación    w =  2 · p / T     F  frecuencia, número de oscilaciones en un segundo  F = 1 / T     v  velocidad de propagación de la onda   v =  l/ T =  v =  l. F = w / k	Para describir con precisión un movimiento ondulatorio hay que determinar las siguientes magnitudes comunes a todos ellos: · Amplitud (A): Es la distancia máxima que puede separarse de su posición de equilibrio un punto que está realizando un movimiento vibratorio. Se mide en metros. · Elongación (x): Es la distancia que separa a un punto que está vibrando de su posición de equilibrio. Se mide en metros. · Fase: Se dice que dos partículas están en fase cuando se encuentran en el mismo estado de vibración. · Período (T): Es el tiempo que emplea en una oscilación o vibración completa. También se define como el tiempo que transcurre hasta que una partícula vuelve a estar en el mismo estado de vibración. Se mide en segundos. · Frecuencia (f): Es el número de oscilaciones completas que una partícula da en un segundo. Su unidad es el hertz o hertzio (Hz) que corresponde a una vibración cada segundo: 1Hz = 1 El período y la frecuencia son inversamente proporcionales: T = 1/f · Velocidad del movimiento ondulatorio (v): Es la velocidad con la que se propaga la onda. Se expresa como el cociente entre la longitud de onda y el período.	Reflexión Sabemos, que una onda está caracterizada por un frente de onda, que son los puntos de propagación de la onda que poseen igual fase. Se denomina rayo, a un vector imaginario cuya dirección es perpendicular al frente de onda y su sentido es el de propagación del mismo. Cuando un rayo se refleja en una superficie, se denominan: ángulo de incidencia, al formado por el rayo incidente y la normal; ángulo de reflexión, al formado por el rayo reflejado y la normal. Siendo la normal, la perpendicular a la superficie, esquematizado en la figura siguiente. Refracción Si una onda pasa de un medio a otro distinto, (por ej. distinta densidad), ésta cambia su velocidad y se produce una desviación de la dirección de propagación de la onda. Esto es lo que se denomina refracción Difracción e Interferencia  La difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. RESONANCIA  Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima. La frecuencia natural es aquella a la que el sistema vibraría si lo desviáramos de su posición de equilibrio y lo dejáramos moverse libremente. Si se excita un sistema mediante la aplicación continuada de fuerzas externas con esa frecuencia, la amplitud de la oscilación va creciendo y puede llevar a la destrucción del sistema.
4	Proceso que propaga energía de un lugar a otro mediante ondas electromagneticas	Amplitud, longitud de onda, frecuencia, periodo, velocidad de onda	Amplitud, elongación, fase, periodo, velocidad de movimiento ondulatorio	Reflexión:: Cuando un rayo de luz, o bien la dirección de propagación de un frente de ondas, se encuentra con una superficie, la onda reflejada lo hará con un ángulo igual que el de la onda incidente, medido desde la perpendicular a la superficie donde se refleja la onda.  REFRACCIÓN:La ley de refracción nos ofrece el ángulo que adopta la propagación de la onda en el segundo medio, medido también respecto a la vertical a la superficie, como se indica en la figura. Además los rayos de incidencia, reflexión y refracción se encuentran siempre en el mismo plano DIFRACCIÓN: Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo. INTERFERENCIA:Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio. RESONANCIA DE ONDAS: Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima.
5	Se define como modelo de un sistema a la estructura cuyo comportamiento es conocido o se puede deducir a partir de bases teóricas, y que se asemeja bastante al sistema real en estudio.	Amplitud, longitud, onda, onda, periodo.	Amplitud, elongación, fase, periodo, velocidad del movimiento ondulatorio.	-REFLEXIÓN: La ley de la reflexión se enuncia afirmando que, cuando un rayo de luz, o bien la dirección de propagación de un frente de ondas, se encuentra con una superficie, la onda reflejada lo hará con un ángulo igual que el de la onda incidente, medido desde la perpendicular a la superficie donde se refleja la onda.  -REFRACCIÓN:La ley de refracción nos ofrece el ángulo que adopta la propagación de la onda en el segundo medio, medido también respecto a la vertical a la superficie, como se indica en la figura. Además los rayos de incidencia, reflexión y refracción se encuentran siempre en el mismo plano. La ley que relaciona el ángulo de incidencia con el de refracción se conoce como ley de Snell. -DIFRACCIÓN: Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo. -INTERFERENCIA:Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio. -RESONANCIA DE ONDAS: Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima. La frecuencia natural es aquella a la que el sistema vibraría si lo desviáramos de su posición de equilibrio y lo dejáramos moverse libremente. Si se excita un sistema mediante la aplicación continuada de fuerzas externas con esa frecuencia, la amplitud de la oscilación va creciendo y puede llevar a la destrucción del sistema.
6	Se define como modelo de un sistema a la estructura cuyo comportamiento es conocido o se puede deducir a partir de bases teóricas, y que se asemeja bastante al sistema real en estudio.	En una onda podemos observar; la amplitud, longitud de onda, período, frecuencia, velocidad de la onda, y la ecuación de onda. La amplitud, se lo denomina a la altura máxima que alcanza cada punto del medio al ser perturbado, es decir, la altura máxima de la perturbación. La longitud de onda, es la distancia que se recorre por la perturbación al realizar una onda completa. El período es el tiempo asociado a la longitud de onda que tarda para realizarse una onda toda completa. La frecuencia es la cantidad de oscilaciones completas que se realizan en la unidad del tiempo, existe entre la frecuencia y el período una relación matemática , una es la inversa del otro.	· Amplitud (A): Es la distancia máxima que puede separarse de su posición de equilibrio un punto que está realizando un movimiento vibratorio. Se mide en metros. · Elongación (x): Es la distancia que separa a un punto que está vibrando de su posición de equilibrio. Se mide en metros. · Fase: Se dice que dos partículas están en fase cuando se encuentran en el mismo estado de vibración. · Período (T): Es el tiempo que emplea en una oscilación o vibración completa. También se define como el tiempo que transcurre hasta que una partícula vuelve a estar en el mismo estado de vibración. Se mide en segundos. · Frecuencia (f): Es el número de oscilaciones completas que una partícula da en un segundo. Su unidad es el hertz o hertzio (Hz) que corresponde a una vibración cada segundo: 1Hz = 1 El período y la frecuencia son inversamente proporcionales: T = 1/f · Velocidad del movimiento ondulatorio (v): Es la velocidad con la que se propaga la onda. Se expresa como el cociente entre la longitud de onda y el período.	Reflexión:: Cuando un rayo de luz, o bien la dirección de propagación de un frente de ondas, se encuentra con una superficie, la onda reflejada lo hará con un ángulo igual que el de la onda incidente, medido desde la perpendicular a la superficie donde se refleja la onda.  REFRACCIÓN:La ley de refracción nos ofrece el ángulo que adopta la propagación de la onda en el segundo medio, medido también respecto a la vertical a la superficie, como se indica en la figura. Además los rayos de incidencia, reflexión y refracción se encuentran siempre en el mismo plano DIFRACCIÓN: Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo. INTERFERENCIA:Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio. RESONANCIA DE ONDAS: Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima.

Fenómenos ondulatorios

Material: Agua, cuerdas.

Generación de las ondas: colocar la cuera fija en un punto y proporcionarle un pulso, enseguida dos pulsos y posterormente tres pulsos.

Determinar las

Equipo	Ondas en la cuerda	Ondas en el cable	Ondas en el alambre
1	2	3	4
2	2	3	4
3	2	3	5
4	3	3	4
5	2	3	3
6	2	3	3

Observar las ondas que se generan sobre la superficie de agua:

Una gota, dos gotas tres gotas de agua sobre la superifice:

Reflexion de las ondas:

Equipo	Una gota	Dos gotas	Tres gotas
1
2
3
4	4	5	7
5
6	2	4	8