Onda mecánica

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:

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

El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica, que en los fluidos se propaga como onda longitudinal de presión. Los terremotos, sin embargo, se modelizan como ondas elásticas que se propagan por el terreno. 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).

Tipos de ondas

Cuando se habla de ondas mecánicas no se hace referencia a cualquier tipo de onda, sino a aquellas que se caracterizan por crearse a partir de la perturbación de las propiedades mecánicas en un determinado material.

Para que se desarrolle una onda mecánica, como lo es el sonido por ejemplo, es necesario que exista alguna fuente que genere la perturbación, pero también debe haber un medio físico donde se propaguen los movimientos y otro que termine por recibir la perturbación.

Como el concepto de onda mecánica es amplio, quienes estudian estos fenómenos y realizan experimentos para analizarlos en profundidad han establecido distintas categorías para clasificarlos con exactitud en función de sus características.

Así, entonces, es posible encontrar bajo la denominación de onda mecánica a las ondas de tipo elástico, a las ondas sonoras y a las ondas de gravedad.

Al estudiar las particularidades de cada perturbación, se pueden reconocer más detalles sobre las ondas mecánicas y cada subgrupo asociado a ellas. Al respecto, es interesante selañar que cuando se produce una vibración de partículas en un eje paralelo a la dirección de propagación, tal como sucede con las denominadas ondas sonoras, se las llama ondas longitudinales, mientras que aquellas que vibran en un eje perpendicular son ondas transversales. En este último grupo, las ondas mecánicas (como lo son aquellas que se propagan a través de una cuerda tensa) conviven con las ondas electromagnéticas, las cuales se diferencian del resto por no necesitar un material para propagarse: en su caso, tienen la capacidad de extenderse por el espacio libre.

Ondas longitudinales y transversales

Supón que produces una onda en una cuerda agitando el extremo libre hacia arriba y hacia abajo. En este caso el movimiento de la cuerda es perpendicular a la dirección del movimiento de la onda. Cuando el movimiento del medio (en este caso, la cuerda) es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda, decimos que se trata de una onda transversal.
Las ondas que se producen en las cuerdas tensas de los instrumentos musicales y en las superficies de los líquidos son transversales.
También las ondas electromagnéticas que constituyen las ondas de radio y la luz son transversales.

Onda transversal

No todas las ondas son transversales. En ciertos casos las partículas del medio se mueven de un lado a otro en la misma dirección en la que se propaga la onda. Las partículas se mueven a lo largo de la dirección de la onda en vez de hacerlo en sentido perpendicular. Una onda de este tipo es una onda longitudinal.
Las ondas sonoras son ondas longitudinales

PULSO ó TREN DE ONDAS

El movimiento de cualquier objeto material puede ser considerado como una fuente de ondas. Al moverse perturba el medio que lo rodea y esta perturbación al propagarse puede ser un pulso o un tren de ondas. Un impulso único como una vibración en el extremo de una cuerda, al propagarse da lugar a un tipo de onda llamada pulso. Si las vibraciones del extremo se suceden, se formará un tren de ondas que se transmite a lo largo de la cuerda. Por ejemplo: Una serie continua e ininterrumpida de sacudidas que se propagan a lo largo de una cuerda o de un resorte, un sonido monótono y permanente, etcétera.

FRENTE DE ONDA

Un frente de onda es una superficie que pasa por todos los puntos del medio alcanzados por el movimiento ondulatorio en el mismo instante. La perturbación en todos esos puntos tiene la misma fase. El frente de onda está formado por puntos que comparten la misma fase, por tanto en un instante dado t un frente de onda está formado por el lugar geométrico (superficie o línea) de todos los puntos cuyas coordenadas satisfacen la relación: Donde: = es la longitud de onda. = llamado vector unitario que coincide en cada punto del espacio con la dirección de propagación de la onda. = es la frecuencia de la onda. =es un valor real, tomando diferentes valores de este parámetro se obtienen diferentes frentes de onda en el mismo instante dado.

Huygens visualizó un método para pasar de un frente de onda a otro. Cuando el movimiento ondulatorio alcanza los puntos que componen un frente de onda, cada partícula del frente se convierte en una fuente secundaria de ondas, que emite ondas secundarias (indicadas por semicircunferencias) que alcanzan la próxima capa de partículas del medio. Entonces estas partículas se ponen en movimiento, formando el subsiguiente frente de onda con la envolvente de estas semicircunferencias. El proceso se repite, resultando la propagación de la onda a través del medio.

RAYO O VECTOR DE PROPAGACIÓN:

La propagación es la línea que señala la dirección en que avanza una fuente de onda. Para describir el movimiento de ondas que se propagan en dos o tres dimensiones son útiles los conceptos de frente de onda y de rayo. Las líneas perpendiculares a los sucesivos frentes de onda se denominan rayos y corresponden a líneas de propagación de la onda.

Clasificación: lineales, superficiales y tridimensionales

Ondas unidimensionales o lineales

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 la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él.

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.

                                                                                                                                                      

Característica de las ondas

Todo movimiento ondulatorio, al transmitirse presenta las siguientes características:

·  La posición más alta con respecto a la posición de equilibrio se llama cresta.

·  El ciclo es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.

·  La posición más baja con respecto a la posición de equilibrio se llama valle.

·  El máximo alejamiento de cada partícula con respecto a la posición de equilibrio se llama amplitud de onda.

·  El periodo es el tiempo transcurrido entre la emisión de dos ondas consecutivas.

·  Al número de ondas emitidas en cada segundo se le denomina frecuencia.

·  La distancia que hay entre cresta y cresta, o valle y valle, se llama longitud de onda.

·  Nodo es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

·  Elongación es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.

Velocidad de propagación

Todas las ondas tienen una velocidad de propagación finita., en la cuyo valor influyen las fuerzas recuperadoras elásticas del medio y determinados factores de la masa del medio: la densidad lineal en las cuerdas; la profundidad del agua bajo la superficie, o el coeficiente adiabático, la masa molecular y la temperatura en el caso de la propagación del sonido en un gas.

En todos los casos la velocidad es constante y, como siempre, será:

Pero veamos qué es el que la onda recorre en un tiempo .

El periodo será el tiempo que transcurre entre dos instantes consecutivos en los cuales un punto del medio vuelve a poseer las mismas propiedades. Será pues igual siendo la frecuencia del movimiento oscilatorio del punto.

Por su parte el espacio recorrido por la onda en ese tiempo será la distancia en tre dos puntos consecutivos que se encuentran con la misma propiedad. A esa distancia se le llama longitud de onda, .

Por lo tanto

No obstante, esa velocidad puede medirse en algunos casos. Así:

a) Velocidad a lo largo de una cuerda Podrá realizarse midiendo el tiempo que tarda un pulso en llegar desde un punto A hasta otro B de la cuerda.

La ecuación que, de un modo general, nos permite determinar la velocidad en una cuerda es

Donde es la tensión a la que se encuentra sometida la cuerda. En la experiencia descrita es el peso de la masa , es decir, .

b) Velocidad en la superficie de un líquido

Con una cubeta de ondas medimos la distancia entre dos máximos consecutivos que se mantienen aparentemente inmóviles (ver experiencia de la cubeta de ondas). Conocida la frecuencia del estroboscopio se determina la velocidad con bastante precisión.

Véase la experiencia con la cubeta de ondas

c) Velocidad de las ondas sonoras

Con un generador de baja frecuencia y un altavoz podemos producir sonido. Con micrófono recibirlo. Si conectamos los bornes que salen del generador a una de las vías, la A por ejemplo, de un osciloscopio, en éste, observaremos las ondas emitidas. Si conectamos los bornes del altavoz a la otra vía del osciloscopio, la B, observaremos una onda de la misma longitud de onda y frecuencia, pero de diferente Amplitud, consecuencia de que la energía que emite el altavoz se tiene que repartir entre todos los puntos del espacio que se encuentren, con relación al altavoz, a la misma distancia que el micrófono.

Colocamos el micrófono a una distancia del altavoz tal que los valles de la onda que se observa en A coincida con las crestas de la onda que aparece en B.

el altavoz siguiendo una regla que hemos colocado en la mesa de experimentación. Se observa que la onda de la vía B se va desplazando con relación a la onda de la vía A, al mismo tiempo que pierde amplitud. Llegamos a una situación en la cual las crestas de la vía A y de la vía B coinciden. La distancia recorrida por el altavoz es . Si tomamos nota de la frecuencia emitida por el generador de baja frecuencia, podremos calcular la velocidad del sonido en el aire en esas condiciones de presión y temperatura.

No obstante, siempre se puede medir como hizo Galileo. Desde un punto situado a una distancia conocida del lugar donde nos encontramos en el campo, se puede ver un fogonazo resultado de una explosión, el ruido de la explosión no nos llega hasta pasado unos segundos. Obtener v es sencillo. De hecho en los fuegos artificiales es fácil observarlo, pues hoy los cohetes alcanzan una altura notable.

De un modo general, la velocidad del sonido en un gas es:

Donde es el coeficiente adiabático de un gas, que depende de si las moléculas de la sustancia son monoatómicas (caso de un gas noble), biatómicas (caso del aire) o triatómicas (caso del dióxido de carbono).

Para el aire

es la densidad del gas, su volumen, su presión y la temperatura, la constante de los gases, la masa molecular (para el aire 28,89), su masa y el número de moles.

Dado que , y , se obtiene la forma última de expresar la ecuación

d) Para medir la velocidad de la luz son necesarios aparatos y procedimientos más sofisticados que exceden los estudios de bachillerato. En el vacío es:

Donde es la constante dieléctrica del vacío o permitividad y es la permeabilidad magnética del vacío.

Conclusión

- La velocidad es independiente de la forma y de energía (nos viene dada por la amplitud, A) que transporta la onda.

Así, el sonido emitido por cualquier instrumento musical, independientemente de la amplitud del sonido, se propagan a ala misma velocidad en el aire, de otro modo no sería posible la formación de orquestas sinfónicas. Ni de cuerda, etc

- Sin embargo, la velocidad depende de la naturaleza del medio y de su estado. Por ejemplo, la elasticidad del medio y su inercia tienen mucha importancia en el valor que adquiere la velocidad.

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