FÍSICA Semana N° 17

Ondas Mecánicas

Ondas mecánicas: tipos, características y elementos

Las ondas mecánicas son perturbaciones generadas en un medio elástico que propagan energía. Las ondas no propagan materia, sino que transmiten energía al hacer vibrar el medio elástico. Las ondas mecánicas necesariamente requieren de un medio sustancial para poder transmitirse.

Vamos a separarlas en dos grupos: las ondas transversales y las ondas longitudinales. Las ondas transversales son aquellas en las cuales el medio vibra perpendicularmente a su dirección de propagación. Por ejemplo, si tomamos una cuerda de guitarra y la hacemos vibrar, podemos notar que la cuerda realiza una vibración perpendicular a la dirección en la cual se propaga la onda. La vibración ocurre en un sentido y la propagación es perpendicular a dicha vibración. A este tipo de onda se le llama onda transversal. Algunos ejemplos de ondas transversales son las ondas generadas en una cuerda tensa o en la superficie de un lago tranquilo.

Por otro lado, las ondas longitudinales son aquellas en las cuales el medio vibra en la misma dirección en la cual se propaga la onda. Por ejemplo, cuando hablamos, el sonido es un clásico ejemplo de una onda de tipo longitudinal. En este caso, la vibración de cada partícula que conforma el aire ocurre en la misma dirección en la cual se propaga la onda. A este tipo de onda se le llama onda longitudinal. Otro ejemplo de onda longitudinal es el sonido.

Ahora, hablemos de los elementos de una onda. La frecuencia es un valor importante y se refiere al número de oscilaciones por unidad de tiempo o el número de ondas generadas por unidad de tiempo. La unidad de frecuencia son los hercios o segundos a la menos 1. También podemos observar en una onda los puntos más altos y los puntos más bajos. El punto más bajo se llama valle, mientras que el punto más alto se llama cresta.

La longitud de onda se refiere a la distancia que hay entre dos puntos en fase, ya sea entre dos crestas o entre dos valles. Se denota con el símbolo de lambda (λ). El periodo, por otro lado, es el tiempo que tarda en completar un ciclo, es decir, en propagarse y volver a completar una longitud de onda. Se denota con la letra T.

Además, en una onda, podemos observar la amplitud, que es la distancia desde el equilibrio hacia la cresta o hacia el valle. La amplitud puede ser hacia arriba o hacia abajo.

En resumen, se presenta una introducción a las ondas mecánicas, explicando los dos tipos principales: las ondas transversales y las ondas longitudinales. Se describen las características de cada tipo de onda, incluyendo ejemplos como las ondas en una cuerda tensa y el sonido. También se analizan los elementos clave de una onda, como la frecuencia, la longitud de onda, el periodo y la amplitud.

Velocidad de propagación y ecuaciones de ondas

En esta lección de física, abordaremos el tema de la velocidad de propagación de las ondas. La velocidad de propagación de una onda se mantiene constante y se puede calcular dividiendo la distancia recorrida por el tiempo transcurrido. Utilizando la fórmula lmr (distancia entre tiempo), podemos determinar la velocidad de propagación en el sistema internacional de unidades (metros y segundos).

Además, la velocidad de propagación también se puede calcular utilizando la relación entre la longitud de onda (lambda) y el período (T), o mediante la relación entre omega y k. Estas ecuaciones son muy utilizadas en el estudio de las ondas.

La ecuación de una onda nos proporciona información sobre cómo cambia la posición de una partícula en función del tiempo y la ubicación en el eje x. En el caso de una onda transversal, como una cuerda de guitarra, cada punto de la onda tiene coordenadas en x e y, y su posición cambia a medida que la onda se propaga.

En la ecuación de la onda, encontramos diferentes elementos clave. La amplitud (A) representa la distancia máxima de desplazamiento de la partícula, mientras que k es el número de onda, que se expresa en radianes por metro. Omega (ω) es la frecuencia cíclica o angular, medida en radianes por segundo.

La dirección de propagación de la onda se indica utilizando los signos más o menos en la ecuación. El signo menos se utiliza cuando la onda viaja hacia la derecha, mientras que el signo más se utiliza cuando la onda viaja hacia la izquierda.

Además, exploraremos la velocidad de propagación de una onda a lo largo de una cuerda tensa. Para determinar esta velocidad, necesitamos conocer la fuerza de tensión del cable (F) y la densidad lineal (μ), que representa la relación entre la masa y la longitud de la cuerda.

La ecuación para la magnitud de la velocidad de propagación de una onda en una cuerda tensa involucra la raíz cuadrada de la relación entre la fuerza de tensión y la densidad lineal.

Comprender estos conceptos es fundamental para comprender cómo se propagan las ondas y cómo se calcula su velocidad. En la próxima lección, exploraremos más a fondo estos elementos y su relación con las ondas.

Ondas Sonoras y Electromagnéticas: Conceptos Básicos de Física

Hablaremos sobre las ondas sonoras y electromagnéticas. Las ondas sonoras son vibraciones mecánicas longitudinales que podemos percibir a través de nuestros oídos. Para que se genere un sonido, es necesario que la frecuencia de la onda esté en el rango de 20 hertzios a 20 kilohertzios. Por debajo de los 20 hertzios, se consideran ondas infrasónicas, y por encima de los 20 kilohertzios, ondas ultrasonidos.

Es importante destacar que las ondas sonoras requieren de un medio para propagarse. En el caso del aire, las ondas se transmiten a través de él, lo cual nos permite escuchar cuando conversamos. También se pueden transmitir en el agua, como sucede con los delfines que utilizan las ondas sonoras como medio de comunicación. La velocidad del sonido en el aire es aproximadamente la quinta parte de la velocidad del sonido en el agua. Además, en los metales, el sonido puede transmitirse a través de ellos.

La intensidad del sonido es otro aspecto relevante que vamos a explorar. La intensidad se refiere a la potencia emitida por la fuente sonora por unidad de área. A medida que nos alejamos de la fuente sonora, la intensidad del sonido disminuye. Por otro lado, al acercarnos a la fuente, la intensidad aumenta. Esta relación se puede describir utilizando la fórmula de la intensidad del sonido, que relaciona la potencia emitida y el área en la que se propaga la onda.

Es importante destacar que los seres humanos tenemos un umbral de audición, es decir, la intensidad mínima que podemos detectar. Este umbral está en el orden de 10 a la menos 12 watts por metro cuadrado. Por debajo de esta intensidad, el oído humano ya no puede percibir el sonido.

Además, vamos a explorar el concepto de nivel de intensidad del sonido, que es una medida logarítmica de la intensidad. El nivel de intensidad se expresa en decibeles y varía desde 0 decibeles (umbral de audición) hasta 120 decibeles (umbral de dolor). Esta forma de medición resulta más práctica, ya que permite una mejor comprensión de la cantidad de ruido presente en un determinado lugar.

Finalmente, vamos a hablar sobre las ondas electromagnéticas. Estas son ondas transversales generadas por cargas eléctricas aceleradas, que generan campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí. Estas ondas viajan en el aire o en el vacío a una velocidad constante de 3 x 10 a la 8 metros por segundo, que es la velocidad de la luz.

En resumen, se abordan conceptos básicos de las ondas sonoras y electromagnéticas, así como la intensidad del sonido y el nivel de intensidad.

Comportamiento de la onda electromagnética: Campos eléctricos y magnéticos, velocidad de la luz y fenómenos de reflexión y refracción

En esta lección, exploraremos el comportamiento de las ondas electromagnéticas, específicamente los campos eléctricos y magnéticos. Estos campos son variables y se generan a través de cargas eléctricas aceleradas, como en un oscilador electromagnético. El campo eléctrico y el campo magnético están interrelacionados, generando cambios en uno y otro.

Estos campos se propagan en direcciones perpendiculares entre sí, formando una onda electromagnética que viaja a la velocidad de la luz, que es aproximadamente 3 x 10^8 metros por segundo. Es importante destacar que todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad, sin importar su frecuencia. Las frecuencias pueden variar, y las ondas electromagnéticas de alta frecuencia incluyen los rayos X y los rayos gamma, mientras que las de baja frecuencia incluyen las ondas de televisión y las ondas de radio.

La relación entre la longitud de onda (λ), la frecuencia (f) y la velocidad de la luz (c) se puede expresar mediante la fórmula λ = c/f. La velocidad de la luz es una constante, aproximadamente 3 x 10^8 metros por segundo.

En el espectro electromagnético, podemos identificar diferentes tipos de radiación ordenados de menor a mayor frecuencia. El rango visible, conocido como luz, abarca desde el color rojo de menor frecuencia hasta el violeta de mayor frecuencia. Por encima del violeta, se encuentra la radiación ultravioleta, seguida de los rayos X y los rayos gamma. Por debajo del rojo, se encuentran las ondas infrarrojas, y debajo de estas, las ondas de televisión y radio.

Es importante destacar que la longitud de onda (λ) es inversamente proporcional a la frecuencia (f). Esto significa que a mayor frecuencia, menor será la longitud de onda, y viceversa.

Además de la propagación de las ondas electromagnéticas en diferentes medios, también se presentan fenómenos de reflexión y refracción. En la reflexión, un rayo de luz incide sobre una superficie lisa y se refleja, manteniendo ángulos de incidencia y reflexión iguales. Por otro lado, en la refracción, la velocidad y dirección de un rayo de luz cambian al pasar de un medio a otro. Si el rayo incide perpendicularmente al medio, no se desvía, pero si incide en un ángulo, sufre cambios en velocidad y dirección.

La refracción se rige por la ley de Snell, que establece que el producto del índice de refracción del primer medio (n1) por el seno del ángulo de incidencia es igual al producto del índice de refracción del segundo medio (n2) por el seno del ángulo de refracción. El índice de refracción de un medio representa la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio en cuestión. Este índice es mayor o igual a uno y varía según el medio.

En resumen, en esta lección hemos explorado el comportamiento de las ondas electromagnéticas, incluyendo los campos eléctricos y magnéticos, la velocidad de la luz, y los fenómenos de reflexión y refracción. Estos conceptos son fundamentales para comprender la física de las ondas electromagnéticas y su interacción con diferentes medios y superficies.

Ejercicios de Física Semana 17

Problemas de Ondas, Intensidad y Refracción

Abordaremos diferentes problemas relacionados con ondas, intensidad y refracción. Comenzando con la primera pregunta, se nos plantea si una onda es la propagación de una perturbación a través de un medio sólido, líquido o gas, excluyendo las ondas electromagnéticas que también pueden propagarse en el vacío. La respuesta correcta es verdadera, ya que las ondas no transportan materia, pero sí transportan energía. Esto se evidencia en las cuerdas, donde las partículas que conforman la cuerda vibran en dirección perpendicular a la propagación de la energía.

En cuanto a la luz, se menciona que es un tipo de onda longitudinal. Sin embargo, el rango visible de la luz es una onda transversal, por lo que la afirmación de que solo las ondas transversales pueden polarizarse es verdadera. El fenómeno de polarización solo ocurre en este tipo de ondas.

Pasando a la siguiente pregunta, nos enfrentamos a un problema que involucra cuatro fuentes sonoras idénticas ubicadas en una circunferencia. Se nos proporciona el radio de la circunferencia (50 metros) y el nivel de intensidad en el centro (100 decibeles). Para determinar la potencia de cada fuente, utilizamos la fórmula que relaciona la intensidad, la potencia y el área. Al realizar los cálculos, obtenemos que la intensidad generada por cada fuente es de 25 × 10^-4 watts por metro cuadrado.

En la pregunta 9, se nos pide calcular la velocidad de la luz en el agua, sabiendo que el índice de refracción del agua es de cuatro tercios. Utilizando la definición del índice de refracción como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el agua, llegamos a que la velocidad de la luz en el agua es de 2.25 × 10^8 metros por segundo.

EJERCICIOS DE FÍSICA Semana N° 17 (Completo) Ciclo 2017 II

Se resuelve varios problemas de física relacionados con conceptos como la propagación del sonido, el índice de refracción, la rapidez de propagación de un pulso y la intensidad sonora. En el primer problema, se aborda la distancia entre un barco y un cardumen utilizando el sonar y la velocidad de propagación del sonido en el agua. Luego, se resuelve un problema relacionado con la frecuencia de las ondas de radio y la longitud de onda.

En el tercer problema, se calcula la rapidez de propagación de un pulso en una cuerda después de experimentar una reflexión. El cuarto problema trata sobre la determinación de la naturaleza de un líquido a través de la medición del índice de refracción. En el quinto problema, se comparan los rangos auditivos de diferentes animales y se determina cuál puede percibir sonidos más graves o agudos. En el sexto problema, se calcula el nivel de intensidad a una distancia específica de unas sirenas.

El séptimo problema implica determinar el número total de estudiantes en un aula a partir de los niveles de intensidad promedio y de estudiantes que hablan simultáneamente. Finalmente, en el octavo problema, se evalúan varias afirmaciones relacionadas con la intensidad sonora, incluyendo su relación con la potencia de la fuente, la energía transportada por la onda sonora y la disminución con la distancia.