Ondas

Capítulo 7. Ondas Ondas

Experimento Nº 4

Materiales: Soga, agua.

Trabajo Grupal Grupal.

Tome una soga o mecate y mientras uno de su grupo lo sostiene inmóvil, otro de ustedes agarra el otro extremo y lo mueve de arriba hacia abajo armónicamente. ¿Qué nombre daría al movimiento de las partículas en la soga?

Además trate de representar éste movimiento en un eje de coordenadas cartesianas X,Y.

Ahora deje caer una piedrita en agua que esté en reposo. ¿Qué sucede con las partículas en la superficie del agua? ¿Qué originó dicho movimiento?

Ahora formen una fila de tres o más compañeros y deben estar bien cerca unos de otros. Ahora uno de ustedes dará un pequeño empujón al primero. ¿Verdad que el último de la fila también lo sintió?
¿Por qué?
_________________________________________________________Trabajo Grupal Individual

Lea el texto que acompaña este tema, respondiendo las preguntas planteadas y las prácticas relacionas con el tema.

ONDAS

Según Wikipedia “una onda, (del latín unda), consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio”.

Una característica muy importante de las ondas es que transportan energía pero NO transportan materia.

Hay varias clasificaciones de las ondas, pero en la clasificación según el medio en que se propagan hay tres tipos de ondas:

a) Ondas electromagnéticas: Son las que se propagan en el vacío al existir una perturbación de un campo magnético y uno eléctrico. Ejm, las ondas de radio y ondas de luz.
Ondas mecánicas: Son aquellas en las que la propagación de la onda se da en un medio físico – mecánico, por ejemplo: las ondas en el agua, las ondas de un terremoto, las ondas en una cuerda.
Ondas gravitacionales: Son las ondas originadas por alteraciones del espacio tiempo, por ejemplo las producidas por la implosión de una estrella o las que hay cerca de las estrellas que hacen que los planetas giren en torno a las estrellas.

En el experimento anterior ustedes crearon una “perturbación del espacio” al mover hacia arriba y abajo la cuerda o bien cuando tiraron la piedrita al agua, la perturbaron y ser formaron “ondas”.
Pero también cuando en la fila de compañeros el primero los empujó, el último también sintió el efecto ¡debido a que la “onda” se propagó!

Las ondas se pueden entender pensando en que realmente es solo dos mitades de un círculo.

En un círculo, si se hace girar una partícula, al tiempo en dar una vuelta entera se le llama “periodo”, igual se le llama ahora al tiempo en dar un ciclo completo de una onda, entonces según el dibujo anterior, al tiempo que dura desde 0° hasta 360° es el periodo de la onda.

Por otro lado, al número de ciclos u oscilaciones (en un círculo serían vueltas) que da en unidad de tiempo se le llama frecuencia ( f ).

A su vez, a la distancia entre cresta y cresta se le llama longitud de onda ( λ ), y a la altura de las crestas se le llama amplitud de onda.

Le llamamos pulso a un tren de ondas que se propaga en una dirección.

En una onda se puede variar tanto la longitud de onda, como la amplitud de la onda.
Si variamos la longitud de onda, estamos variando su frecuencia, veamos el siguiente ejemplo:

La frecuencia de la onda se refiere a la cantidad de oscilaciones que pasan por un determinado punto en un segundo, esto se mide en hertz. 1 Hz = 1 oscilación en un segundo.

Al inicio habíamos visto que una onda es como abrir un círculo, un hertz en un círculo es una vuelta por segundo.

Cuando aumenta la cantidad de ondas en el mismo tiempo, estamos variando su frecuencia y a esto se le llama frecuencia modulada.

Un ejemplo común de variación de la longitud de onda se da con el caso de la luz visible y otras ondas clasificadas como ondas electromagnéticas, observe en las imágenes siguientes que solo hay variación de la longitud de onda y eso es la razón para el cambio en el “tipo de luz” o más exacto, en el tipo de radiación:

Observe que las ondas de longitud de onda mayor están al lado izquierdo, son las ondas de radio, que van desde una longitud de 1cm hasta 10 km o más de cresta a cresta.

Ahora, volvamos a la definición de frecuencia: Como vimos anteriormente la frecuencia puede modularse, eso hacen con las ondas de radio FM.

Cuando buscas tu radio preferida tienes que ajustar el radio a cierta frecuencia, por ejemplo: “Radio Uno” corresponde a 102,7MHz (mega hertz) FM.

¿Cuál es la frecuencia de tu radio preferida? ______________________ ¿Qué significa ese número? ____________________________.

Por otro lado, hay otro tipo de ondas de radio, las AM o amplitud modulada, en estas lo que se modifica es la amplitud de la onda. Debido a que son frecuencias más bajas, cuyas longitudes de onda son mayores, el alcance de su señal es considerablemente más amplio en relación con el de la frecuencia modulada. Las ondas AM pueden medir entre 100 metros (3000 KHz) y 1000 metros (300 KHz). Este es el tipo de onda que llega a la ionosfera y rebota en ella.

En el caso de la amplitud modulada la cantidad de energía transmitida es menor que en la FM, por lo tanto, la fidelidad de la señal es mejor con FM que con AM, pero ya que la FM se transmite de forma horizontal sobre la superficie, mientras que la AM son ondas dirigidas a la ionosfera y reflejadas hacia la tierra, es que es común que la señal fm sea interrumpida mientras nos movemos en un vehículo cuando aparecen obstáculos en el terreno, pero en el caso de zonas montañosas es de mejor recepción la señal AM ya que viene desde “el cielo”.

Un detalle interesante es que todas esas ondas, están traspasándonos a cada momento.

La onda consta de dos movimientos: uno es la vibración de las partículas y otro es la propagación de la onda en sí. Si el movimiento de cada partícula es ” de arriba hacia abajo y viceversa” la onda se llama transversal.

Si la partícula se mueve en la misma dirección de propagación moviéndose atrás y adelante, la onda recibe el nombre de longitudinal.

El sonido es una onda longitudinal mientras que la luz (y cualquier onda electromagnética) es transversal. Si hacemos ondas con una soga nos dará ondas transversales mientras que un resorte puede transportar ambos tipos de ondas. A estas ondas se les llama ondas mecánicas.

Note que las ondas transmiten energía y no masa. Por esa razón, en el experimento de la cuerda, si el que la sostiene la agita con mucha violencia, al otro lado se percibe un golpe muy fuerte, igual, esa es la razón por la que una subducción de placas oceánicas repentina y violenta, provocará un Tsunami con olas (ondas) muy desastrosas para las costas.

La velocidad de propagación de las ondas

Las ondas se propagan a diferentes velocidades dependiendo del medio en que se encuentre, por ejemplo una onda que se propaga en el aire lo hace más rápido que en el agua.

En un movimiento ondulatorio trasversal, las direcciones de propagación y vibración de las partículas del medio son perpendiculares.

En un movimiento ondulatorio longitudinal, la propagación y la vibración de las partículas del tienen la misma dirección.

La velocidad de propagación es dada por:

Donde: = λ longitud de la onda expresada en metros (m).
T= periodo, tiempo en dar una oscilación, se mide en segundos (s).
f= frecuencia, número de oscilaciones por segundo, se mide en Hz.
v= velocidad de propagación de la onda, se mide en m/s.

Actividad

Examine el efecto de los manglares en las costas y explique desde una perspectiva física por qué son útiles, puede usar como referencia este sitio web:

http://rashidherrera.blogspot.com/2018/04/la-fisica-de-los-manglares-y-su.html

Luz visible.

Ya habíamos hemos estudiado los principios de la generación de la electricidad y el magnetismo, a lo cual se le llama electromagnetismo. Ahora resta conocer que los campos electromagnéticos se propagan en forma de ondas.

Las ondas electromagnéticas son representaciones de la variación del campo magnético respecto al campo eléctrico, tal como se puede ver seguidamente:

Si nosotros variamos la longitud de la onda, el tipo de radiación varía, siendo las de menor longitud de onda las más energéticas y peligrosas, y entre mayor longitud de onda tiene, es menos peligrosa.

Comportamiento dual de la luz

En 1924, Louis de Broglie, plantea la posibilidad de asociar una función de onda a las partículas. De modo que si consideramos la Luz como ondas, también en otras circunstancias la podríamos considerar como partícula, de hecho, se acepta que la luz tiene un comportamiento dual, onda partícula. Esto ayuda a entender los resultados de algunos experimentos, como el experimento de Davisson y Germer, entre otros, en los que un haz de electrones (partículas) acelerados produce un patrón de interferencia, resultado típicamente ondulatorio, al ser dispersado por un cristal de Níquel.

A manera de definición, podemos decir que la luz es toda radiación electromagnética capaz de ser percibida por nuestro sentido de la vista. El intervalo de frecuencias de las radiaciones que componen la luz solamente está delimitado por la capacidad del órgano de la visión.

La luz que nosotros percibimos será siempre formada por radiaciones correspondientes a grandes cantidades de frecuencias. El láser constituye la única radiación visible formada por radiaciones de la misma longitud de onda todas ellas.

Fuentes.

Se supone que la luz que produce el hilo caliente de una lámpara se emite debido a que el calor causa que los electrones se muevan rápidamente adelante y atrás, convirtiendo a cada uno en una antena. Sin embargo, cuando los físicos intentaron seguir esa idea, encontraron que las leyes conocidas de la naturaleza debían modificarse a la escala de los tamaños atómicos. Así fue como se originó la teoría cuántica.

Poco a poco se descubrieron otras ondas electromagnéticas. La naturaleza de onda de la luz origina que los diferentes colores se reflejen de forma diferente por una superficie, generando finas rayas paralelas –a esto se debe el que un disco compacto brille en todos los colores del arco iris-. Se encontró posteriormente que los haces de electrones en un campo magnético, dentro de un tubo de vacío, podían hacerse inestables y emitir ondas más largas que la luz: el tubo magnetrón donde ocurría esto fue un dispositivo de radar de alto secreto durante la II Guerra Mundial e hizo posible posteriormente la fabricación del horno microondas.

Las ondas electromagnéticas están en todo lugar, algunas como ondas de TV o radio, otras como luz visible, rayos x, α, β, γ, microondas y otras radiaciones.

Seguidamente se presenta un esquema de las ondas electromagnéticas:

Lo anterior es el espectro electromagnético, y la porción correspondiente a la luz visible es la única que el ojo humano puede registrar. Es posible ver el espectro visible haciendo uso de un prisma y dirigiéndolo hacia la luz blanca del sol, pero no se podrá ver si lo que se dirige es luz blanca artificial de un bombillo o fluorescente pues dichas luces no contienen todo el espectro blanco.

Si se desea experimentar, simplemente busque un prisma y diríjalo un rayo solar hacia el prisma, entonces el rayo resultante diríjalo a una pantalla blanca (preferiblemente) y entonces verá todo el espectro visible.

En la imagen anterior, entre más a la izquierda se encuentre el tipo de luz, tiene menor longitud de onda y por eso es más energética, eso significa que puede penetrar más.

Esa es una de las razones por las que para ver los huesos del cuerpo humano se usan los Rayos X, porque pueden penetrar la carne, pero en son detenidos en estructuras duras como los huesos o masas densas.

Ejercicio

Considere la siguiente gráfica de las oscilaciones de una onda:

De acuerdo a lo que observa responda:

¿Cuál es la longitud y la amplitud de esta onda? λ= ___________ A= _________

Ondas mecánicas

Una onda mecánica es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio material (posición, velocidad y energía de sus átomos o moléculas) que se propaga en el medio.

Todas las ondas mecánicas requieren:

Alguna fuente que cree la perturbación.
Un medio en el que se propague la perturbación.
Algún medio físico a través del cual elementos del medio pueda influir uno al otro.

El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica ya que en los fluidos se propaga como onda longitudinal de presión.

Los terremotos, sin embargo, se modelizan como ondas elásticas (entendiendo que un medio es elástico cuando puede sufrir deformaciones reversibles al verse sujeto a la acción de fuerzas exteriores) que se propagan por el terreno. Las ondas de los terremotos pueden ser longitudinales o transversales.

Por otra parte, las ondas electromagnéticas no son ondas mecánicas, pues no requieren un material para propagarse, ya que no consisten en la alteración de las propiedades mecánicas de la materia (aunque puedan alterarlas en determinadas circunstancias) y pueden propagarse por el espacio libre (sin materia).

Actividad

Tarea.

La tarea es dividida en dos partes, una es tarea de investigación en casa, la otra es trabajo cotidiano de presentación en la clase.

Parte 1.
Investigación en Casa:

En grupos pequeños harán una investigación sobre algunos de los siguientes temas, en cada exposición iniciar explicando cómo se relaciona el tema de ondas con el que usted elija:

Radiografías: Traer un ejemplo físico (si es posible) y explicar ¿cómo es que es posible que se vean los huesos? ¿qué peligros hay de tomarse radiografías?
El ruido: Definición, causas y efectos del ruido, así como métodos para disminuirlo.
Tsunamis: Definición, peligros, detección temprana y prevención.
Bloqueadores y filtros solares: Base científica por la cual funcionan, razón por la que se usan, forma correcta de uso, cómo reconocer los tipos de bloqueador adecuados según tipo de piel y recomendaciones. Traer muestras de ser posible. (http://rashidherrera.blogspot.com/2018/07/la-ciencia-de-los-protectores-solares.html )
Lentes de Sol: Tipos de lentes de sol= oscuros, polarizados, con protección UV. Cuál es la base científica de su funcionalidad, diferencias entre cada uno y recomendaciones (especialmente para choferes), qué son cataratas en los ojos y porqué el uso de lentes especiales puede reducirlas.
Celulares o teléfonos móviles: Por qué recomiendan apagarlos en las salas de cuidados intensivos de los hospitales, en los aviones o en las gasolineras. Base científica para esa solicitud, explicación de situaciones que hayan ocurrido y el por qué.
Visión infrarroja de algunos insectos: Qué es la visión infraroja, para qué le sirve a los insectos, ejemplos con fotografías (si en el colegio disponen de la posibilidad), base científica por la cual ocurre.
Lentes de visión nocturna: Cómo funciona, tipos, modelos, base científica para su funcionamiento.
Terremotos: Orígen y propagación, formas de protegerse (nota: Es común encontrarse la opción de buscar el triángulo de la vida, explicar por qué puede NO ser eficaz), tipos de terremotos, qué significa la escala Richter y Mercalli.
Ondas gravitaciones: Qué son y cómo se originan, cómo se pueden medir y para qué.
¿Es peligroso estar en lugares debajo de antenas satelitales, torres de señal celular o cables de alta tensión por causa de las ondas electromagnéticas? Una referencia de muchas: http://naukas.com/2018/06/03/compromiso-la-verdad/

Parte 2. Presentación en la clase.

Cada grupo contará con ___ minutos para exponer a la clase lo que han encontrado.

Práctica de óptica y ondas.

5) Lea cuidadosamente las siguientes afirmaciones:

I. En una onda transversal, las partículas del medio perturbado oscilan en forma perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
II. En una onda longitudinal, la oscilación de las partículas del medio perturbado se produce en la misma dirección de propagación de la onda.

son correctas,

a) I y II.

b) solo I.

c) solo II.

d) ninguna.

6) Considere las dos proposiciones siguientes, relativas al movimiento ondulatorio:

I. La frecuencia es el número de ondas que pasan por un determinado punto durante cierta unidad de tiempo.
II. El período es el tiempo que tarda pasando una onda completa por un determinado punto.

De ellas, ¿cuál o cuáles son verdaderas?

A) Ambas.
B) Solo la I.
C) Solo la II.
D) Ninguna.

7) Un niño agita una cuerda de arriba hacia abajo, formandose asi ondas transversales; si el período de cada perturbación es 0,50 s y la longitud de las ondas es 0,25 m, la velocidad de propagación de estas ondas es

A) 2,0 m/s.
B) 0,12 m/s.
C) 0,25 m/s.
D) 0,50 m/s.

8) Una fuente produce ondas mecánicas en un resorte con una frecuencia de 70 Hz; si se propagan a una velocidad de 8 m/s, el valor de la longitud de onda es

A) 70 m.
B) 8,8 m.
C) 560 m.
D) 0,11 m.
9) Lea las siguientes afirmaciones, relativas a ondas mecánicas.

I. En una onda longitudinal, las partículas del medio perturbado se mueven en la misma dirección de propagación de la onda.
II. En una onda transversal, las partículas del medio perturbado se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

De ellas,

A) solo I es correcta.
B) solo II es correcta.
C) ninguna es correcta.
D) ambas son correctas.

10) Observe la siguiente figura que representa una onda en el agua.