Ondas: movimiento armónico simple, descripción de una onda, ondas mecánicas, periódicas, armónicas, parámetros, ondas transversales, longitudinales, superposición, reflexión, ondas estacionarias, dispersivas, potencia, intensidad, efecto Doppler.

Movimiento Armónico Simple:

muelle romicEl movimiento oscilatorio es un movimiento periódico en torno a un punto de equilibrio. Todo movimiento oscilatorio tiene unas características importantes: frecuencia, periodo y amplitud. El movimiento armónico simple (m.a.s.) es el movimiento armónico más sencillo.

Para estudiar el m.a.s. se busca su analogía con el movimiento circular uniforme. Consideremos la partícula “P” de velocidad constante “v0” describiendo una trayectoria circular de radio “A”.

Podemos definir la posición de “P” con “x”, “y” o con “σ”, que está relacionado con la velocidad angular:

  • ω = dσ / dt.

, que, a su vez, está relacionada con la velocidad lineal por:

  • v = A ω.

Para calcular “σ” integramos:

  • ∫dσ = ω ∫dt.
  • σ = ω t + σ0.

Calculemos la proyección sobre el eje “x” de “P”: “Q”. El punto “Q” se mueve hacia “x-” o hacia “x+” según “P” vaya girando. “Q” tiene un m.a.s.

El desplazamiento de “Q” respecto a “0” vendrá dado por la proyección de “P” sobre el eje “x” por definición:

  • x = A Cosσ = A Cos(ω t + σ0).

Para pasar de coseno a seno, a “σ0” se le suman “π / 2” radianes:

  • x = A Cosσ = A Cos(ω t + σ0 + π / 2).

Estudiemos las características de m.a.s.

Amplitud (A):

Desplazamiento máximo respecto a la posición de equilibrio (0).

Frecuencia Angular (ω):

Número de radianes que recorre en un segundo.

Periodo (T):

Tiempo que tarda en completar una vuelta o ciclo. Al recorrer un ciclo, la fase aumenta en “2 π” radianes:

  • T = 2 π / ω.

Frecuencia (f):

Número de vueltas que da en un segundo.

  • f = 1 / T = ω / (2 π).

Estudiemos la velocidad de “Q” en m.a.s. Se puede obtener derivando:

  • v = dx / dt = – ω A Sen(ω t + σ0).

Esta “v” es la misma que la proyección sobre “x” de la velocidad “v0”. Apreciamos que nuestra “v” está en función de “t”, pero es útil conocerla también en función de “x”. La distancia “¬PQ”, por pitágoras, es:

  • d(¬P, ¬Q) = [A^2 – x^2]^1/2.

, y por trigonometría:

  • d(¬P, ¬Q) = A Senσ.

Por tanto:

  • A Senσ = [A^2 – x^2]^0.5.

, de donde:

  • Senσ = [A^2 – x^2]^1/2 / A.

Sustituyendo en “v”:

  • v = – ω [A^2 – x^2]^1/2.

Para ponerlo en función de “v0”:

  • v = – ω A [1 – (x / A)^2]^1/2 = ± v0 [1 – (x / A)^2]^1/2.

Se cumplen las siguientes propiedades:

  • x = – A → v = 0.
  • x = 0 → v = ± v0.
  • x = A → v = 0.

Estudiemos la aceleración del movimiento armónico simple.

La partícula “P” está sometida a una aceleración centrípeta:

  • ac = v^2 / A = ω^2 A.

“a”, la aceleración de “Q”, es la proyección de “ac” sobre el eje “x”.

  • a = dv / dt = – ac Cosσ = – ω^2 A Cos(ω t + σ0).

Ecuación Diferencial de un Movimiento en un M.A.S:

  • a = d^2 x / dt^2 = dv / dt = dx dv / (dt dx) = v dv / dx = – ω^2 x.

Ya podemos integrar:

  • ∫v dv = – ω^2 ∫x dx.
  • v^2 / 2 = – ω^2 x^2 / 2 + cte.
  • v^2 = – ω^2 x^2 + 2 cte = ω^2 (2 cte / ω^2 – x^2) = ω^2 (A^2 – x^2).
  • v = ω [A^2 – x^2]^1/2.

, expresión que ya obtuvimos.

Obtenemos “x”:

  • v = dx / dt = w [A^2 – x^2]^1/2.
  • ∫(dx / [A^2 – x^2]^1/2) = ω ∫dt.

Para integrar se hace el cambio de variable:

  • x = A Cosσ.
  • dx = – A Senσ dσ.
  • [A^2 – x^2]^1/2 = A[1 – Cosσ^2]^1/2 = A Senσ.
  • ∫- A Senσ dσ / (A Senσ) = – ∫dσ = ω ∫dt.
  • σ = – ω t + σ0.

Ahora deshacemos el cambio de variable:

  • x = A Cosσ = A Cos(– ω t + σ0).

Por tanto, hemos llegado a las ecuaciones que ya teníamos a partir de la ecuación diferencial. “A” y “σ0” ahora son constantes de integración que dependen de las condiciones iniciales. Determinémoslas:

Partimos de:

  • x = A Cos(ω t + σ0).
  • v = – ω A Sen(ω t + σ0).
  • t = 0.
  • x = x0 = A Cos(σ0).
  • v = v0 = – A ω Sen(σ0).

Hacemos la división:

  • v0 / x0 = – A ω Sen(σ0) / (A Cos(σ0)) = – ω Tg(σ0).
  • Tg(σ0) = – v0 / (x0 ω).
  • σ0 = Arcotg(– v0 / (x0 ω)).

Para calcular “A”, usaremos:

  • Senσ^2 + Cosσ^2 = 1.
  • x0^2 = A^2 Cos(σ0)^2.
  • v0^2 = – A^2 ω^2 Sen(σ0)^2.
  • (v0 / ω)^2 = – A^2 Sen(σ0)^2.

Sumando:

  • x0^2 + (v0 / ω)^2 = A^2 (Cos(σ0)^2 + Sen(σ0)^2) = A^2.
  • A = [x0^2 + (v0 / ω)^2]^1/2.

Fuerza de Restitución Elástica:

camaSupongamos un cuerpo de masa “m” unido a un muelle de masa despreciable en la posición de equilibrio. Tirando del objeto, si el muelle es ideal, la fuerza con la que se opone el muelle a la fuerza exterior viene dada por la Ley de Hooke:

  • Fe = – k x.

, que es opuesta al desplazamiento, donde “k” es la constante de elasticidad.

Por la 2ª Ley de Newton:

  • m a = – k x.

Comparando con la ecuación diferencial del m.a.s:

  • a = – ω^2 x = – k x / m.

El muelle se muelle se mueve con un m.a.s. de:

  • ω = [k / m]^1/2.

“ω” no depende de la separación inicial (ésta solo influye en la amplitud).

Supongamos un m.a.s. vertical, donde el punto de equilibrio depende del peso. En la posición de equilibrio se cumplirá:

  • |¬P| = |¬Fe|.
  • mg = k l.
  • l = m g / k.

A partir de aquí el razonamiento es similar al m.a.s. simple horizontal. Una partícula con m.a.s. se mueve como si estuviese unida a un muelle ideal.

Energía en el M.A.S:

Ya conocemos cómo es la fuerza asociada a un m.a.s:

  • Fe = – k x.

, que es conservativa (no realiza trabajo a lo largo de la trayectoria), por lo que la disminución o el aumento de la energía cinética es a costa de la variación de la energía potencial.

Energía Potencial Elástica:

La energía potencial elástica en “Q” será el trabajo necesario para llevar la partícula de “O” a “Q”.

  • Ep = ∫F dx = – k ∫x dx.
  • Ep = k x^2 / 2.

Como la fuerza es constante se cumple:

  • Ec + Ep = cte.
  • m v^2 / 2 + k x^2 / 2 = cte.
  • m A^2 ω^2 Sen(ω t + σ0)^2 / 2 + k A^2 Cos(ω t + σ0)^2 / 2 = cte.

, y como:

  • k = m ω^2.

, nos resulta:

  • k A^2 (Sen(ω t + σ0)^2 + Cos(ω t + σ0)^2) / 2 = k A^2 / 2 = cte.
  • m v^2 = k (A^2 – x^2).
  • v^2 = k (A^2 – x^2) / m.
  • v = w (A^2 – x^2).

de nuevo.

Péndulo Simple:

penduloModelo de péndulo ideal: masa puntual “m” colgando de un hilo de masa despreciable y longitud “l”. Si lo desplazamos “σ” radianes de su posición de equilibrio, los pares de fuerzas se compensan siguiendo la igualdad:

  • P Cosσ = T.

La responsable de la oscilación es “P Senσ”.

  • F = – P Senσ.
  • m a = – m g Senσ.
  • a = – g Senσ.
  • l d^2σ / dt^2 = – g Senσ.
  • d^2σ / dt^2 = – g Senσ / l.

Para “σ” muy pequeños se movería con m.a.s., y por Taylor:

  • Senσ ≈ σ.

Por lo que:

  • l d^2σ / dt^2 = – g σ.
  • w^2 = g / l.

Notación Compleja:

Un número complejo es isomorfo a un vector en 2 dimensiones, ya que se puede representar en el plano complejo donde la abscisa es la parte real y la ordenada la imaginaria.

  • z = x + i y.
  • Parte Real = x = r Cosσ.
  • Parte Imaginaria = y = r Senσ.
  • z = x + i y = r (Cosσ + i Senσ) = r e^(i σ).

, donde “r” es la amplitud y “σ” la fase. Expresado en forma fasorial:

  • z = r \ σ.

El complejo conjugado sería de la forma:

  • z* = x – y i = r (Cosσ – i Senσ) = r ^(- i σ) =r \ – σ.

El módulo se calcula elementalmente:

  • r = [x^2 + y^2]^1/2.

Y la fase:

  • σ = Arcotg(y / x).

El problema es que los arcotangentes de un complejo y su conjugado resultan ser idénticos, por lo que, para corregir el error, se le suman “π” radianes a “z*”.

Supongamos que la fase varía con el tiempo:

  • σ = ω t + σ0.

, entonces, “z” rota con una frecuencia angular “ω”. Por tanto:

  • z = r e^(i σ) = r e^(i (ω t + σ0)).
  • z = r e^(i ω t) e^(i σ0).

Cada vez que se cumple un periodo “T” se da una vuelta completa, y el fasor vuelve a su valor original. Los fasores se representan con:

  • t = 0.

, es decir, no se representa la dependencia temporal. Los fasores, además, son fáciles de derivar.

  • dz / dt = d(r e^(i ω t) e^(i σ0)) / dt.
  • dz / dt = i ω r e^(i ω t) e^(i σ0) = i w z.
  • d^2z / dt^2 = i ω (i w z) = – ω^2 z.

La parte real del fasor “z” es:

  • r Cosσ = r Cos(ω t + σ0).

La de “dz / dt” es:

  • – ω r Senσ = – ω r Sen(ω t + σ0).

Y por último, la de “d^2z / dt^2” es:

  • – ω^2 r Cosσ = – ω^2 r Cos(ω t + σ0).

Descripción de una onda unidimensional:

Una onda es una perturbación del equilibrio que se propaga de una región del espacio a otra. Se propaga la perturbación, que implica un transporte de energía y momento, y no la materia (ésta se mueve solo en torno a unas posiciones de equilibrio).

Según su naturaleza hay dos tipos de ondas:

  • Mecánicas: necesitan un material elástico para propagarse que se llama medio, como por ejemplo las ondas de agua, el sonido, o una cuerda.
  • Electromagnéticas: no necesitan un medio para propagarse, y por tanto son las únicas que pueden viajar en el vacío. Se producen por cargas aceleradas de partículas atómicas o subatómicas. Algunos ejemplos son los rayos x, la radio, la luz, que solo varían su frecuencia y su longitud de onda.

Ondas Mecánicas:

Según la dirección de la perturbación, hay varios tipos de onda:

  • Transversales: los desplazamientos de las partículas del medio son perpensidulares a la dirección de la onda, como es el caso de la oscilación de la cuerda.
  • Longitudinales: las partículas se mueven en la dirección de la onda, como es el caso de un muelle que se contrae o un gas comprimido por un pistón.

La cresta de una ola es una onda transversal y longitudinal a la vez.

Características de las ondas:

  • La Velocidad de Propagación de la onda, que solo depende de las propiedades mecánicas del medio, y no de la velocidad de vibración de las partículas.
  • El medio no viaja por el espacio: sus partículas realizan un movimiento en torno a unas posiciones de equilibrio.
  • Para generar la onda hay que aportar energía realizando un trabajo sobre el sistema.

Descripción Matemática de una Onda Unidimensional:

Supongamos que el medio en que se propaga es elástico, lineal y no dispersivo. Entonces, la onda se propaga a velocidad constante y sin perder la forma.

Supongamos un pulso que se propaga a una velocidad “v”.

Calculemos la función que describa la posición de un punto en cualquier instante. Supongamos, por tanto:

  • y = f(x).

Pero necesitamos una dependencia temporal. Para relacionar las funciones en:

  • t = 0.
  • t’ ≠ 0.

, consideremos un sistema de referencia en la propia perturbación. En este sistema, la función que nos da la posición inicial es igual a la del resto del tiempo:

  • y’ = f(x’).

para cualquier “t”.

La relación entre los sistemas viene dada por:

  • y’ = y.
  • x’ = x – vt.

Por tanto:

  • y = y’ = f(x’) = f(x – v t) = f(x / v + t).

Así, ya tenemos la dependencia temporal en la función de onda, que presenta una onda propagándose a velocidad “v” en la dirección “y” que representa el movimiento vertical de un punto “x” en un tiempo “t”. Por tanto, si “t” aumenta en “1” segundo, hay que aumentar “x” en “v” metros para que “y” tenga el mismo valor.

Hablamos de Ondas Progresivas cuando:

  • v > 0.

, y de Ondas Regresivas cuando:

  • v < 0.

Para ondas longitudinales:

  • y = Φ = desplazamiento paralelo a la velocidad de la onda.

En general, una onda unidimensional será una combinación de una onda regresiva y una progresiva:

  • Φ(x, t) = f(x – v t) – g(x + v t).

Ondas Periódicas:

SinLa perturbación se repite cada cierto tiempo de forma regular, es decir, de una fuente periódica.

.-Longitud de Onda “λ”:

Es la distancia espacial (en “m”) en la que la onda efectúa una oscilación completa y tras la cual se repite, es decir, la perturbación se repite cada “λ” metros.

  • Φ(x, t) = Φ(x ± λ, t) = Φ(x ± n λ, t).

.-Periodo “T”:

tiempo (en “s”) que la onda tarda en completar una oscilación completa. Fijado un punto “x” del medio, tiempo que tarda dicho punto en dar una oscilación, se cumple:

  • Φ(x, t) = Φ(x, t ± T) = Φ(x, t ± n T).

.-Frecuencia “f”:

Número de oscilaciones por segundo (en “Hz”):

  • f = 1 / T.

Para relacionar “v”, “T” y “λ” nos ponemos en “x0” y mecimos con un cronómetro los metros de perturbación que pasan en un segundo, es decir, su frecuencia:

  • v = λ f.

Ondas Armónicas:

La perturbación tiene forma sinusoidal, es decir, definida por senos y cosenos (cualquier onda periódica es suma de ondas armónicas).

El m.a.s. nos sirve para crear ondas armónicas, de modo que:

  • Φ(x, t) = A Sen(- 2 π x / λ).

Observamos una periodicidad espacial, que nos permite definir el Número de Onda:

  • k = – 2 π / λ.

La función total es una función de “t” y de “x”:

  • Φ(x, t) = A Sen(- k (x – v t)) = A Sen(- k x + k v t) = A Sen(- k x + 2 π f t).
  • Φ(x, t) = A Sen(ω t – k x).

, donde “ω”, “f” y “A” son propiedades de la fuente, y “v” solo del medio.

  • Φ(x, t) = A Sen(ω t ± k x + Φ0).
  • Φ(x, t) = A e^(i(ω t ± k x + Φ0)).

Ecuación de una Onda Unidimensional:

Vamos a demostrar que una función:

  • Φ = Φ(x ± ω t).

es una onda unidimensional propagándose en “± x”.

  • α = x ± ω t.
  • Φ = Φ(α).
  • dΦ / dx = dΦ / dα dx = dΦ / dα = Φ’.
  • dΦ / dt = dΦ dα / dα dt = ± v dΦ / dt = ± v Φ’.
  • d^2Φ / dx^2 = Φ”.
  • d^2Φ / dt^2 = v^2 Φ”.

Por tanto, cualquier función dependiente de “x” y “t” de la forma:

  • Φ = Φ(x ± ω t).

cumple:

  • d^2Φ / dx^2 = Φ”.
  • d^2Φ / dt^2 = v^2 Φ”.
  • Φ” = d^2Φ / dx^2 = d^2Φ / (v^2 dt^2).
  • d^2Φ / dx^2 – d^2Φ / (v^2 dt^2) = 0.

, que es la ecuación de ondas unidimensionales propagándose en la dirección “± x” a “v”.

La solución general es:

  • Φ(x, t) = f(x – v t) + g(x + v t).

Como es una ecuación diferencial lineal y sabemos que hay una solución que es una onda y otra que es otra onda, su suma también es solución, por aplicación del principio de superposición.

Cuerda Tensa. Ondas Transversales:

cuerdaConsideremos un segmento de cuerda sometido a una determinada perturbación y analicemos las fuerzas que actúan sobre ella (tensiones, que son la misma) para estudiar el movimiento.

Dados dos segmentos de cuerda “1” y “2”, de inclinaciones:

  • σ1 ≠ σ2.

por la ligera inclinación debida a la onda:

  • ∑Fy = T2y – T1y = T Sen(σ2) – T Sen(σ1) = T (Sen(σ2) – Sen(σ2)).
  • ∑Fx = 0.

No hay movimiento en “x”.

Considerando una onda de amplitud pequeña, “σ1” y “σ2” son pequeños, cumpliéndose:

  • Cosσ ≈ 1.
  • Senσ ≈ Tgσ.

Además, podemos considerar:

  • m = μ Δx.

, siendo “μ” la densidad lineal.

  • ∑Fy = T(Tg(σ2)- Tg(σ1)).

En un determinado punto:

  • Tgσ = dy / dx.

, es decir, la pendiente “S” del punto.

  • ∑Fy = T(S2 – S1) = T ΔS = m ay = m d^2y / dt^2 = μ Δx d^2y / dt^2.
  • T ΔS / Δx = μ d^2y / dt^2.
  • d^2y / dt^2 = μ d^2y / (T dt^2).
  • d^2y / dt^2 – μ d^2y / (T dt^2) = 0.

Comparando con la ecuación de ondas:

  • 1 / v^2 = μ / T.
  • v = [T / μ]^1/2.

La velocidad de propagación de una onda depende del medio.

Ondas Sonoras en un Tubo de Aire. Ondas Longitudinales:

Las ondas longitudinales de presión / descompresión en un medio sólido, líquido o gaseoso son ondas sonoras de frecuencia audible entre los los 20 Hz y los 20 kHz.

Consideremos una onda sonora propagándose en un tubo de sección “A”. Consideremos una región en equilibrio:

  • p1 = p2.

Sea “ρ0” la densidad de masa. Si hay una perturbación “dΦ” el gas se expandirá o se contraerá, respectivamente, según:

  • dΦ > 0.
  • dΦ < 0.

Para la región de volumen considerado, “ρ” será distinto, pero no la masa:

  • m1 = m2.
  • ρ0 V1 = ρ V2.
  • ρ0 A dx = ρ A (dx + dΦ).
  • ρ = ρ0 / (1 + dΦ / dx) = ρ0 (1 + dΦ / dx)^(-1).

Veamos las presiones que ejercen las dos masas de aire que rodean la sección considerada para estudiar la fuerza que actúa sobre la misma:

  • Fxi = p A.
  • Fxd = p’ A.

Siendo “Fxi” la fuerza por el lado izquierdo y “Fxd” la fuerza por el lado derecho. La fuerza resultante “Fx” será:

  • Fx = (p – p’) A = – A dp.
  • Fx = m a = m d^2Φ / dt^2.

Combinando:

  • m d^2Φ / dt^2 = ρ0 A dx d^2Φ / dt^2 = – A dp.
  • – dp / dx = – ρ0 = d^2Φ / dt^2.

Por la regla de la cadena:

  • dp / dx = dp dρ / dρ dx.

pero como:

  • ρ =  ρ0 (1 + dΦ / dx)^(-1).

Obtenemos:

  • dp / dx = dp (- ρ0 d^2Φ / dx^2) / dρ.

Comparando:

  • d^2Φ / dx^2 = d^2Φ dρ / (dt^2 dp).

, que es la ecuación de ondas de una onda unidimensional propagándose en la dirección:

  • v = [dp / dρ]^1/2.

En general, la velocidad de propagación de una onda longitudinal se calcula en función del módulo de volumen del medio, denominaremos “β” a la inversa de la compresibilidad, que juega el papel de la constante elásticas del muelle:

  • v = [β / ρ]^1/2.

Para sólidos “s”, líquidos “l”, y gases “g”, se cumple:

  • vs > vl > vg.
  • βs > βl > βg.

Algunos casos particulares son, la varilla al comprimirse, de ecuación:

  • v = [γ / ρ]^1/2.

, donde “γ” representa el Módulo de Young, una constante predeterminada para cada material.

En el gas ideal:

  • v = [γ R T / M]^1/2.

, donde “R” es la constante de los gases (8,31 J / mol), “M” es la masa molecular del gas, “T” la temperatura absoluta y “γ” la constante del gas vista en el tema anterior.

Transporte de Energía en una Onda Transversal en una Cuerda:

Supongamos una onda que viaja de izquierda a derecha en un punto “A” de la cuerda. Calculemos el trabajo realizado por unidad de tiempo (potencia) en un segundo elemental de la cuerda, considerando la fuerza que un trazo de cuerda ejerce sobre otro de la derecha.

  • Fy = – T Senσ ≈ – T Tgσ.
  • Tgσ = dy / dx = S.

Ya tenemos la fuerza que se ejerce sobre “A”, el cual se va a desplazar con una velocidad, y cuando el punto “A” se mueve en la dirección “y”, realiza trabajo sobre ese punto.

La potencia la medimos como:

  • P(x, t) = F(x, t) v(x, t) = – T  dy(x, t) dy(x, t) / dx dt.

Consideremos una onda armónica:

  • y(x, t) = A Sen(ω t + k x).
  • dy(x, t) / dx= A k Cos(ω t – k+x).
  • dy(x, t) / dt = A ω Cos(ω t – k+x).

A partir de la expresión anterior:

  • P = T k ω A^2 Cos(ω t – kx)^2.

, y como:

  • T = v^2 μ.
  • v = ω / k.

nos resulta:

  • P = v μ ω^2 A^2 Cos(ω t – kx)^2.

, que es la potencia instantánea de onda en el punto “x”. Consecuentemente, la potencia máxima será:

  • Pmax = v μ ω^2 A^2.

Pero a nosotros no nos interesa la potencia instantánea, sino la potencia promedio de un ciclo:

  • P‾ = (∫(v μ ω^2 A^2 Cos(ω t – kx)^2 dt) desde “0” hasta “T”) / T.
  • P‾ = ω ∫(v μ ω^2 A^2 Cos(ω t – kx)^2 dt) desde “0” hasta “2 π / ω” / 2 π.
  • P‾ = μ v ω^2 A^2 / 2.

, y esta es la potencia promedio de todas las ondas, proporcional al cuadrado de la amplitud:

  • P‾ = α A^2.

La energía que fluye del punto “A” al “B” es:

  • ΔE‾ = P‾ Δt = μ ω^2 A^2 Δx / 2.

Transporte de Energía en Ondas Longitudinales:

La potencia media por unidad de sección transversal (intensidad de la onda) es:

  • I = P‾ / A.

Principio de Superposición:

reflexionCuando dos ondas interfieren, el desplazamiento real de cualquier punto del medio en cualquier instante se obtiene sumandoel desplazamiento que tendría el punto si solo estuviese presente la primera onda y el que tendría si solo estuviese la segunda.

  • Onda 1: y1(x, t).
  • Onda 2: y2(x, t).
  • Onda resultante: y1 + y2 = y(x, t).

La interferencia puede ser ocnstructiva o destructiva según si las ondas están o no en fase, respectivamente. Este principio es aplicable por la linealidad de las funciones de onda.
Reflexión en un Punto Fijo:

Supongamos un punto sobre una pared incapaz de oscilar (es un punto fijo), y supongamos que una onda se propaga hacia el punto en cuestión, de forma que cuando llegue a él tendrá que tomar un valor nulo. Asimismo, después de chocar con la pared, nuestra onda deberá reflejarse, es decir, volver hacia atrás de un modo opuesto al de llegó.

La única explicación matemática posible es que desde la pared, en todo momento, se propage en sentido opuesto a la onda original una onda exactamente igual solo que con sentido y módulo opuesto, de modo que en todo instante amvas ondas se anulen en el punto de la pared.

Poner una condición de este tipo en la propagación de las ondas es establecer una condición de contorno, y si un punto siempre es fijo es un nodo.

Ondas Estacionarias en una Cuerda:

Las ondas que se superponen en una cuerda producen, como onda resultante, ondas estacionarias, para ciertas frecuencias.

Supongamos que tenemos una onda armónica incidente:

  • y1(x, t) = A Sen(ω t – k x).

Debido a la reflexión en el punto fijo “B”, existe una onda reflejada:

  • y2(x, t) = – A Sen(ω t + k x).

La onda resultante será:

  • y(x, t) = y1 + y2 = A Sen(ω t – k x) – A Sen(ω t + k x).
  • y(x, t) = A(Sen(ω t – k x) – Sen(ω t + k x)).
  • y(x, t) = A(Sen(ω t) Cos(k x) – Cos(ω t) Sen(k x) – Sen(ω t) Cos(k x) – Cos(ω t) Sen(k x)).
  • y(x, t) = – 2 A Cos(ω t) Sen(k x).

Como en el punto final de la cuerda de longitud “L” la onda debe anularse, obtenemos que:

  • – 2 A Cos(ω t) Sen(k L) = 0.
  • Sen(k L) = 0.
  • k L = Arcosen(0) = n π radianes.

Es decir, el factor “k L” debe ser igual siempre a un ángulo cuyo seno se anule, representados por “n π”. PAra cada valor de “n”, el valor de “k” será distinto, por lo que es necesario definir los “kn”, que representan el valor de “n” al que van asociados, por lo que, en definitiva:

  • kn = n π / L.

Como previamente sabiamos que:

  • k = 2 π / λ.
  • kn = 2π / λn.

Nos resulta:

  • 2 π / λn = n π / L.

, donde los “λn” representan las longitudes de onda asociadas a cada valor de “n”, que se despejan como:

  • λn = 2 L / n.

La interpretación física de este fenómeno es que las distintas longitudes de onda representan los distintos armónicos de una cuerda, y en base a ellos se construyen los instrumentos musicales. “n = 1” seria el primer armónico, “n = 2” el segundo, y así sucesivamente.

3-4-1

Potencia e Intensidad de las Ondas:

Estudiaremos ambas propiedades particularizando a ondas sonoras, pues la intensidad se define como vimos antes:

  • I = P‾ / S.

, donde “S” representa la sección del frente de onda. Además, siempre se cumplía que:

  • I = α A^2.

, donde “A” representa la amplitud de la onda.

.-Ondas Dispersivas:

Si la fuente es puntual , se producen ondas esféricas, que se propagan a la misma velocidad en todas direcciones. En este caso la sección será la superficie de la esfera, por lo que:

  • I = P‾ / (4 π r^2) = β / r^2.
  • I = α A^2.
  • α A^2 = β / r^2.
  • A^2 r^2 = cte.
  • A r = cte.

Si la fuente es lineal se producen ondas cilíndircas:

  • I = P‾ / (2 π r h) = β / r.
  • I = α A^2.
  • α A^2 = β / r.
  • A^2 r = cte.
  • A r^1/2 = cte.

.-Ondas No Dispersivas:

Si la onda es plana, se propaga en una única dirección, por lo que la sección es constante, y se cumple:

  • I = P‾ / S = cte.
  • I = α A^2.
  • α A^2 = cte.
  • A = cte.

Efecto Doppler:

Cuando una fuente de sonido y un oyente están en movimiento uno respecto al otro, la frecuencia percibida por el agente es distinta a la transmitida por la fuente. Cuando se acercan, la frecuencia es mayor y viceversa.

Supongamos que la velocidad de la fuente “vf” y la del oyende “vo” tienen la misma dirección, siendo la dirección positiva la que va del oyente  “o” a la fuente “f”.

.-Fuente en reposo:

Si representamos los puntos con igual fase (frentes de onda) de una fase determinada, la distancia entre ellos es “λf”. El oyente se acerca con “vo” a la fuente; esta emite un sonido de frecuencia “νf”, y por tanto el periodo es:

  • Tf = 1 / νf.

Si conocemos la velocidad del sonido “v”,  resulta que:

  • λf = v Tf.

, y es que aunque “o” ve una separación “λf”, percibe una frecuencia mayor, porque su velocidad medida “v'” es:

  • v’ = vo + v.

Por lo que su frecuencia medida es:

  • νo = v’ / λf = (v + vo) / (v / νf) = (v + vo) νf / v.

.-Fuente y oyente en movimiento:

Al desplazarse “f”, se desplazan los centros de origen de las ondas, por lo que “λ1 ≠ λ2”.

Definimos “Tf” como el tiempo en que la cresta recorre “v Tf”, y la fuente “vf Tf”:

  • λ = v Tf + vf Tf = (v + vf) / νf.

De modo que en la fórmula de la frecuencia medida cambia este parámetro:

  • νo = v’ / λf = (v + vo) / (v + vf / νf) = (v + vo) νf / (v + vf).

En general, aunque “f” y “o” tengan la misma velocidad relativa, el efecto Doppler será distinto según se mueve “f”, “0” o los dos.

Comments
One Response to “Ondas: movimiento armónico simple, descripción de una onda, ondas mecánicas, periódicas, armónicas, parámetros, ondas transversales, longitudinales, superposición, reflexión, ondas estacionarias, dispersivas, potencia, intensidad, efecto Doppler.”
  1. gloria dice:

    BUEN TRABAJO ,,,,,,,ESTA BIEN DEMOSTRADO LAS FORMULAS =).ME RESULTO MUY UTIL

Preguntas, correcciones y debate son bien recibidos.

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