Algo de teoría sobre las ondas mascado

tiempo estimado: 90 min?

Vibraciones y Ondas

Las ondas de luz que nos permiten ver y percibir colores implican vibración, podemos escuchar y hablar porque nuestros tímpanos y cuerdas vocales vibran, nuestros corazones laten de manera periódica y nuestros pulmones inhalan y exhalan aire repetidamente. (French, 1971).

Las Vibraciones son movimientos que se repiten una y otra vez en torno a una posición de equilibrio (Vibración, Wiki), un movimiento repetitivo que también se conoce como movimiento oscilatorio (French, 1971).

Figura 1. Representación de dos modos de vibración periódica

Dos de nuestros sentidos desarrollados en torno a la vibración son la vista y el oído (Crowell, 2000).

Periodo, frecuencia y amplitud

Un movimiento que se repite una y otra vez se conoce como movimiento periódico, y el tiempo necesario para llevar a cabo una repetición se denomina periodo, T. El número de repeticiones por segundo es la frecuencia, f. (Crowell, 2000)

f = 1/T

Luego T y f son dos unidades que permiten medir la relación entre tiempo y repetición de movimientos oscilatorios. El periodo se mide en segundos, y la frecuencia en Hercios, Hz.

Figura 2. Onda, A amplitud, T periodo. Eje x=tiempo,

El tamaño de las vibraciones se refleja en la amplitud A, se relaciona con el valor máximo alcanzado en cada repetición y se define en física de forma general, como la distancia desde el centro a uno de los extremos del movimiento (Crowell, 2000). Las unidades de la amplitud dependerán de la escala y tipo del movimiento.

(Imagen del péndulo)

(Por ejemplo, la amplitud del movimiento de un péndulo balanceándose sera determinada por el ángulo que este recorre desde su posición de equilibrio a su posición más alejada y la mediremos en grados o radianes. Sin embargo, la amplitud de xxxxx)

Cualquier vibración contiene energía y el valor de esa energía es proporcional a la amplitud. Sin embargo, el periodo y la frecuencia son independientes de la amplitud (Crowell, 2000).

¿Qué son las ondas?

Una vez tenemos claro qué es una vibración, es el momento de pasar a hablar sobre las ondas. Estas se producen como consecuencia de oscilaciones y vibraciones de la materia (Onda, 2021). En física, una onda (del latín unda) consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad del espacio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. (Onda, Wiki).

Las magnitudes que hemos visto relacionadas con las vibraciones (periodo, frecuencia y aptitud) se aplican también a las ondas.

Figura 3

Las ondas y su clasificación

Las propiedades físicas de las ondas dependen y varían en función del origen y medio a través del cual se propagan (Onda, 2021). Las clasificamos de la siguiente manera:

1. Según el MEDIO en que se propagan:

Ondas MECÁNICAS. Precisan de un medio elástico (líquido, gaseoso o sólido) y de condiciones determinadas de temperatura y presión, para propagarse efectivamente. Por ejemplo: las ondas sonoras que se propagan por el aire o por el agua.

Ondas ELECTROMAGNÉTICAS. No requieren de un medio porque se pueden propagar en el vacío. Por ejemplo: la luz. De la que volveremos a hablar en la página siguiente.

Ondas GRAVITACIONALES. Alteraciones del espacio-tiempo (recién confirmadas por la ciencia).

2. Según su PERIODICIDAD:

Ondas periódicas. Presentan ciclos repetitivos.

Ondas no periódicas. Presentan ciclos irregulares.

Figura 4.

3. Según su DIRECCIÓN:

Ondas unidimensionales. Se propagan a través de una sola dimensión en el espacio.

Figura X

Ondas bidimensionales. Se propagan a través de dos dimensiones y se suelen llamar también superficiales. Ejemplo:

Figura X

Ondas tridimensionales. Se propagan en tres dimensiones y suelen llamarse esféricas. Ejemplo: Sonido

Figura X

Según el MOVIMIENTO DEL MEDIO respecto a la dirección en que se propague la onda:

Ondas longitudinales. Las partículas del medio se mueven en la misma dirección en que se propaga la onda.

Ondas transversales. Las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Figura 5.

Aquí tienes algunos ejemplos de tipos de ondas:

Sonido nota Do: Onda mecánica, periódica, tridimensional y longitudinal.

Sonido ruido blanco: Onda mecánica, no periódica, tridimensional y longitudinal.

Perturbación de una gota en el agua: Onda mecánica, periódica, bidimensional y transversal.

La luz visible: Onda electromagnética, periódica, tridimensional y transversal.

Partes de una onda

Figura 6.

Frente de onda

Esta parte, luego la usaremos? es que me parece que igual es un concepto que podemos saltarnos...

Es el lugar geométrico de los puntos del medio que se encuentran afectados por la perturbación en un instante determinado. Tomaremos las crestas como referencia y la distancia entre frentes de onda es igual a la longitud de onda. La dirección de propagacion de un frente de ondas es perpendicular a este.

Principio de Fresnel - Huygens

Este metodo plantea un modelo que nos va a permitir analizar y entender c´0mo se propagan las ondas y nos sera útil para entender los fenómenos que con ellas ocurren.

"Todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden." (Wiki)

Figura

¿Qué es la longitud de onda?

Esto me parece importante, pero igual es mejor explicarlo aplicado al color por ejemplo, que cada color tiene una longitud de onda etc etc

La longitud de onda, representada por la letra λ, hace referencia al espacio que avanza el movimiento en cada repetición, y se puede definir como el espacio que abarca cada una de esas repeticiones. Para medirla tomaremos como punto de referencia una cresta o frente de onda, por lo tanto, la longitud de onda sera la distancia entre dos crestas consecutivas o dos frentes de onda consecutivos.

La longitud de onda es similar al periodo, ya que recoge una magnitud en función de la repetición del movimiento, pero la longitud de onda (λ) registra espacio, y el periodo (T) registra tiempo. Cuando veamos gráficas debemos de tener en cuenta el sistema de representación que utilizan, que variables representan los ejes vertical y horizontal, y en que unidades se dan estas variables. En la imagen de la derecha el eje horizontal del gráfico superior representa el espacio, por eso, la magnitud entre crestas medida en metros, es la longitud de onda (λ). En la gráfica inferior el eje horizontal representa el tiempo, por lo que la magnitud definida por la distancia entre crestas es el periodo (T) y se mide en segundos. Y aunque en esta imagen la longitud de onda y el periodo se representen de forma equivalente, sus valores no lo son. T y λ son variables diferentes y relacionándolas podemos obtener la velocidad de la onda (v), ya que la velocidad es el espacio recorrido en un tiempo determinado.

v = λ / T = λ f

Superposición de ondas

A diferencia del movimiento de objetos, que al entrar en contacto generan fuerzas de repulsión entre ellos, las ondas se superponen en una misma región del espacio sin repulsión, y en el punto en el que coinciden se suman (Crowell, 2000. p.40).

Figura 8. Dos ondas con diferente dirección de desplazamiento

Figura 9. Resultado de la superposicion de las ondas de la figura 8

Fase de una onda

Esto de la fase igual podemos explicarlo con el sonido? para que al escucharlo lo entiendan mejor?

Que es la fase de una onda?

La fase de una onda φ, es la posición relativa de un punto a lo largo de la onda (NIST), es decir, en que posición de la repetición se encuentra un punto en un momento determinado. La mediremos en funcion del ángulo descrito por su representación circular en la que una repetición representa el circulo completo: (explicarlo mejor)

Figura 10. Representacion de la fase de una onda. Phase=fase, Wave=Onda

Esta magnitud cobra importancia al comparar las fases de varias ondas. A esta comparación la llamaremos diferencia de fase. Y la mediremos en grados o radianes.

Figura 11. Representacion de la diferencia de fase entre dos ondas con la misma frecuancia. Phase=fase, Wave=Onda

La diferencia de fase, va a influir en el resultado de la superposición de ondas. Podemos comprobar, que cuando la diferencia de fase es 180º las ondas se anulan, en este caso decimos que la fase de una es la inversa de la otra y que se encuentran en oposición de fase.

Figura 12. Resultado de la suma de dos ondas sinusoidales de la misma frecuencia pero diferencia de fase variable

Fenomenos/Propiedades de las ondas

Absorción y Atenuación

En ambas la amplitud (A) de la onda disminuye pero por diferentes motivos

La absorción: es la disminución de la intensidad y por lo tanto, de la amplitud de una onda al perder energía mientras se propaga, debido a las interacciones con el medio (Polimedia), como el rozamiento o perdida en forma de calor.

Figura.

La atenuación es la disminución de la intensidad y por lo tanto, de la amplitud de una onda al repartirse su energia en frentes cada vez más amplios (Polimedia).

Es un fenómeno que encontraremos en ondas bidimensionales y tridimensionales, que al propagarse ocopan un mayor espacio, ya que, al propagarse la onda, la misma cantidad de energía se reparte por un espacio mayor. En una onda unidimensional el espacio no varía.

Reflexión y Refracción

Esto igual también se puede explicar en el apartado del color

Cuando una onda que se propaga en un medio llega a otro medio, se produce un cambio de dirección de la onda incidente y por lo general tendremos dos ondas resultantes, una onda que se refleja y otra onda que se refracta. La onda que se refleja vuelve al mismo medio y la onda que se refracta se propaga en un medio distinto.

La reflexión consiste en un cambio de dirección, cuando incide una onda en la superficie limítrofe entre dos medios. La onda reflejada se continúa propagando a traves del medio por el que a incidido/mismo medio. La velocidad (v) de la onda reflejada y la onda incidente es la misma ya que la velocidad (v) depende del medio y al no cambiar de medio esta se mantiene.

Figura 13.

En la imagen anterior, la onda que pasa al medio gris, y que en el dibujo se denomina "Onda Transmitida", es el resultado de la refracción de la onda incidente. En la refracción se da un cambio de dirección y de medio, cuando una onda incide en la superficie limítrofe entre dos medios. La onda refractada se propagará por el nuevo medio con una velocidad (v) diferente, ya que como habíamos dicho, esta depende del medio en que se propaga la onda. Con esta variación de velocidad (v) el periodo (T) y la frecuencia (f) se conservan sin embargo la longitud de onda (λ) varia, aumentando cuando la velocidad aumente y disminuyendo cuando la velocidad disminuya.

Difracción

La difracción es el fenómeno por el que una onda se desvía al atravesar un orificio o encontrar un obstáculo. El objeto difractante o la rendija, se convierte en una fuente secundaria de la propagación de la onda (Wiki). Veremos con mas detalle el ejemplo de la rendija, para ello, vamos a recordar que según el principio de Fresnel - Huygens, todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias. Y debemos de tener en cuenta que la relación entre la longitud de onda y el tamaño de la rendija van a condicionar la difracción, por eso es necesario que el tamaño de la abertura sea del mismo orden que la longitud de la onda incidente. Cuando un frente de ondas llega a una superficie con una rendija del mismo tamaño que su longitud de onda, el punto medio de la rendija se convierte en una fuente puntual de ondas esféricas que se propagan con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda:

Figura. Difracción de una onda plana cuando el ancho de la ranura es igual a la longitud de onda.

Si aumentamos el tamaño de la rendija, aparecerán más puntos como fuentes puntuales de ondas esféricas:

Figura. Difracción de una onda plana cuando el ancho de la ranura es varias veces la longitud de onda.

Extra: https://www.youtube.com/watch?v=HD4XLT7LogM&list=PL6kQim6ljTJudzpws0ggAtF0RQsIPwgGr&index=1

Las ondas y el sonido

Como vimos anteriormente en un ejemplo el sonido es una onda mecánica, luego necesita un medio a traves del que propagarse, a nuestros oídos llega a traves del aire.

Cuando el sonido se graba por primera vez en un disco (edison), sonido analgico, sonido digital.

Resonancia

Figura 1. https://massbateria.com/modos-de-vibracion-2/

Figura 2. https://es.wikipedia.org/wiki/Per%C3%ADodo_(f%C3%ADsica)

Figura 3.

Figura 4. http://ondassonorasfaviotorrealba.blogspot.com/2015/11/segun-el-medio-en-que-se-propagan.html

Figura X https://intothecontinuum.tumblr.com/post/29160638835/is-it-possible-to-visualize-3-dimensional-standing

Figura 5. https://www.physicslens.com/wp-content/uploads/2022/03/longitudinal-transverse-waves.gif

Figura 6. https://www.lifeder.com/onda-transversal/

Figura huygens https://tfgonline.es/principio-de-huygens/

Figura 8. http://ondassonorasfaviotorrealba.blogspot.com/2015/11/segun-el-medio-en-que-se-propagan.html

Figura 9. http://ondassonorasfaviotorrealba.blogspot.com/2015/11/segun-el-medio-en-que-se-propagan.html