Ondas mecánicas

Un onda mecánica es una perturbación física que se propaga a través de un medio elástico transportando energía mas no materia .

Una onda mecánica no transporta masa, sino energía, y cantidad de movimiento, en el caso de las ondas la cantidad de movimiento depende del cambio de masa del medio perturbado y no de la velocidad de propagación como es el caso de una partícula, donde la cantidad de movimiento cambia si la velocidad cambia.Para entender el movimiento de las ondas, es necesario establecer una relación funcional matemática capaz de describir la evolución espacial y temporal, de esta manera describir la historia completa de una onda.Las aplicaciones de las ondas en la tecnología, se aprecia en las comunicaciones (ondas electromagnéticas) telefonía, radio, televisión. en otros campos como la industria de la pesca, que hacen usos de las ondas de sonido en un dispositivo denominado sonar, para detectar la presencia de cardúmenes, en la descripción de la tierra a través del sensoramiento remoto (ondas electromagnéticas), en sismología, etc.

CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS.

Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos:

En función del medio en el que se propagan.

Ondas mecánicas:

Las ondas mecánicas necesitan un medio elástico(sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. 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. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.

ONDAS MECANICAS PRODUCIDAS EN UNA SUPERFICIE DE AGUA.

Ondas electromagnéticas: Las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas.

Ondas gravitacionales: Las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.

En función de su propagación o frente de onda.

Ondas unidimensionales: Las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.

Ondas bidimensionales o superficiales: Son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella.

Ondas tridimensionales o esféricas: Son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas. En función de la dirección de la perturbación.

Ondas longitudinales: Son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven (ó vibran) paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

Es una onda longitudinal la vibración de las partículas del medio es paralela a la dirección de propagación de la onda .

ONDAS LONGITUDINALES.

Ondas transversales: Son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

En una onda transversal la vibración de las partículas del medio es perpendicular a la dirección en que se propaga (viaja) la onda.

ONDAS TRANSVERSALES

En función de su periodicidad.

Ondas periódicas: La perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.

Ondas no periódicas: La perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos.

Elementos de una onda

La amplitud (A) de una onda es la magnitud del desplazamiento máximo o la distancia máxima de la posición de equilibrio de la partícula .

La distancia entre dos crestas sucesivas (o valles) se llama longitud de onda (λ). En realidad, es la distancia entre dos partículas sucesivas que están en fase (en puntos idénticos de la forma de la onda).

La frecuencia (f) de una onda es el número de ciclos por segundo, esto es, el número de formas de ondas completas, que pasan por un punto dado durante un segundo.

El periodo T = 1/f es el tiempo que se toma una forma de onda completa (longitud de onda) pasar por un punto dado.

Velocidad de fase

Relacionada con las características del medio

Como una onda se mueve, viaja una longitud de onda λ en el tiempo de un periodo T.

Número de onda angular: k = 2π/ λ (rad/m)

Frecuencia angular: ω = 2 π/T (rad/s)

ECUACION DE UNA ONDA

Cada punto de un medio sobre el cual existe una perturbación periódica está sometido a un movimiento armónico simple, para expresar la dependencia con el tiempo del desplazamiento de un punto del medio:

La dependencia espacial del desplazamiento en un momento dado se representa mediante:

Velocidad de onda en una cuerda tensa

La velocidad con la cual se mueve un pulso a través de un medio depende de la elasticidad del medio y de la inercia de sus partículas. Los medios mas densos ofrecen mas resistencia al movimiento de las ondas.

La velocidad de una onda en una cuerda tensa depende de la fuerza (F) que tensa la cuerda y de la masa de la cuerda por unidad de longitud (u=m/L) ,”u” es llamada densidad lineal.

F FLv

m

v = rapidez de onda transversal (m/s)

F = tensión sobre la cuerda (N)

o m/L = masa por unidad de longitud (kg/m)

Ecuaciones de una onda senoidal

Cuando una onda pasa por un medio elástico desplaza las partículas del medio hacia arriba y hacia abajo haciéndole oscilar armónicamente en forma vertical.

La fórmula matemática que describe una onda senoidal viajando en la dirección de las x positivas es:

No podemos representar ésta ecuación en un diagrama plano porque tenemos tres variables: y, x y t.

Para un valor fijo de t, la ecuación nos da y en función de x.esta curva senoidal representa la forma del medio en un momento dado.

Para un valor fijo de x, o sea un punto dado de la cuerda, la ecuación nos da y en función de t. Es un movimiento armónico simple lo que llamamos vibración u oscilación de una partícula.