Física

Figura 1. Las olas en el océano se comportan de forma similar a todos los demás tipos de olas. (crédito: Steve Jurveston, Flickr)

¿Qué queremos decir cuando decimos que algo es una ola? La ola más intuitiva y fácil de imaginar es la conocida ola de agua. Más concretamente, una ola es una perturbación que se propaga, o se desplaza desde el lugar en que se creó. En el caso de las ondas de agua, la perturbación se produce en la superficie del agua, tal vez creada por una roca arrojada a un estanque o por un nadador que salpica la superficie repetidamente. En el caso de las ondas sonoras, la perturbación es un cambio en la presión del aire, tal vez creado por el cono oscilante dentro de un altavoz. En el caso de los terremotos, hay varios tipos de perturbaciones, como la alteración de la superficie terrestre y las alteraciones de la presión bajo la superficie. Incluso las ondas de radio se entienden más fácilmente utilizando una analogía con las ondas de agua. Visualizar las ondas de agua es útil porque hay algo más que una simple imagen mental. Las ondas de agua presentan características comunes a todas las ondas, como la amplitud, el periodo, la frecuencia y la energía. Todas las características de las olas pueden describirse mediante un pequeño conjunto de principios subyacentes.

Una ola es una perturbación que se propaga, o se desplaza desde el lugar en el que se creó. Las ondas más simples se repiten durante varios ciclos y están asociadas a un movimiento armónico simple. Empecemos por considerar la onda de agua simplificada de la figura 2. La ola es una perturbación ascendente y descendente de la superficie del agua. Hace que una gaviota se mueva hacia arriba y hacia abajo con un movimiento armónico simple cuando las crestas y las depresiones de la ola (picos y valles) pasan por debajo del ave. El tiempo que dura un movimiento completo hacia arriba y hacia abajo es el periodo T de la ola. La frecuencia de la ola es f=\frac{1}{T}\\, como siempre. La propia onda se mueve hacia la derecha en la figura 2. Este movimiento de la ola es en realidad la perturbación que se mueve hacia la derecha, no el agua misma (o el pájaro se movería hacia la derecha). Definimos la velocidad de la onda vw como la velocidad a la que se mueve la perturbación. La velocidad de las ondas también se denomina a veces velocidad de propagación o velocidad de propagación, porque la perturbación se propaga de un lugar a otro.

Alerta de error

Mucha gente piensa que las ondas de agua empujan el agua de una dirección a otra. En realidad, las partículas de agua tienden a permanecer en un lugar, salvo que se mueven hacia arriba y hacia abajo debido a la energía de la ola. La energía avanza por el agua, pero el agua se queda en un lugar. Si te sientes empujado en un océano, lo que sientes es la energía de la ola, no un torrente de agua.

Figura 2. Una ola oceánica idealizada pasa por debajo de una gaviota que se balancea hacia arriba y hacia abajo con un movimiento armónico simple. La onda tiene una longitud de onda λ, que es la distancia entre partes idénticas adyacentes de la onda. La perturbación arriba y abajo de la superficie se propaga paralela a la superficie con una velocidad Vw.

La onda de agua de la figura también tiene una longitud asociada, llamada su longitud de onda λ, la distancia entre partes idénticas adyacentes de una onda. (λ es la distancia paralela a la dirección de propagación.) La velocidad de propagación vw es la distancia que recorre la onda en un tiempo determinado, que es una longitud de onda en el tiempo de un período. En forma de ecuación, es decir

v_{text{w}}=\frac{\lambda}{T}} o vw = fλ.

Esta relación fundamental es válida para todo tipo de ondas. Para las ondas de agua, vw es la velocidad de una onda superficial; para el sonido, vw es la velocidad del sonido; y para la luz visible, vw es la velocidad de la luz, por ejemplo.

Experimento para llevar a casa: Ondas en un cuenco

Llena un cuenco grande o una palangana con agua y espera a que el agua se asiente para que no haya ondas. Deja caer suavemente un corcho en el centro del cuenco. Calcula la longitud de onda y el periodo de oscilación de la onda de agua que se propaga desde el corcho. Retira el corcho del cuenco y espera a que el agua se asiente de nuevo. Deja caer suavemente el corcho a una altura diferente a la de la primera caída. ¿Depende la longitud de onda de la altura sobre el agua a la que se deja caer el corcho?

Ejemplo 1. Calcula la velocidad de propagación de las ondas: Gaviota en el océano

Calcule la velocidad de propagación de la ola del océano de la figura 2 si la distancia entre las crestas de las olas es de 10,0 m y el tiempo que tarda una gaviota en balancearse hacia arriba y hacia abajo es de 5,00 s.

Estrategia

Se nos pide que hallemos vw. La información dada nos dice que λ = 10,0m y T = 5,00 s. Por lo tanto, podemos utilizar v_{text{w}=\frac{lambda}{T} para encontrar la velocidad de las olas.

Solución

Ingresa los valores conocidos en v_{text{w}=\frac{lambda}{T}:

v_{text{w}=\frac{10.0\text{ m}}{5,00\text{ s}}

Resolver para vw para encontrar vw= 2,00 m/s.

Discusión

Esta velocidad lenta parece razonable para una ola del océano. Obsérvese que la ola se desplaza hacia la derecha en la figura a esta velocidad, y no a la velocidad variable a la que se desplaza la gaviota hacia arriba y hacia abajo.

Olas transversales y longitudinales

Una ola simple consiste en una perturbación periódica que se propaga de un lugar a otro. La onda de la figura 3 se propaga en la dirección horizontal mientras que la superficie es perturbada en la dirección vertical. Este tipo de onda se denomina onda transversal o de cizalladura; en ella, la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación. En cambio, en una onda longitudinal o de compresión, la perturbación es paralela a la dirección de propagación. La figura 4 muestra un ejemplo de onda longitudinal. El tamaño de la perturbación es su amplitud X y es completamente independiente de la velocidad de propagación vw.

Figura 3. En este ejemplo de onda transversal, la onda se propaga horizontalmente, y la perturbación en la cuerda está en la dirección vertical.

Figura 4. En este ejemplo de onda longitudinal, la onda se propaga horizontalmente, y la perturbación en la cuerda también está en la dirección horizontal.

Las ondas pueden ser transversales, longitudinales o una combinación de ambas. (Las ondas de agua son en realidad una combinación de transversales y longitudinales. La onda de agua simplificada que se ilustra en la figura 2 no muestra ningún movimiento longitudinal del pájaro). Las ondas de las cuerdas de los instrumentos musicales son transversales, al igual que las ondas electromagnéticas, como la luz visible.

Figura 5. La onda de una cuerda de guitarra es transversal. La onda sonora hace vibrar una hoja de papel en una dirección que muestra que la onda sonora es longitudinal.

Las ondas sonoras en el aire y el agua son longitudinales. Sus perturbaciones son variaciones periódicas de presión que se transmiten en los fluidos. Los fluidos no tienen una resistencia al cizallamiento apreciable, por lo que las ondas sonoras en ellos deben ser longitudinales o de compresión. El sonido en los sólidos puede ser tanto longitudinal como transversal.

Las ondas sísmicas bajo la superficie de la Tierra también tienen componentes longitudinales y transversales (denominadas ondas de compresión o P y ondas de corte o S, respectivamente). Estos componentes tienen importantes características individuales: se propagan a diferentes velocidades, por ejemplo. Los terremotos también tienen ondas superficiales que son similares a las ondas superficiales en el agua.

Comprueba tu comprensión

¿Por qué es importante diferenciar entre ondas longitudinales y transversales?

Solución

En los diferentes tipos de ondas, la energía puede propagarse en una dirección diferente en relación con el movimiento de la onda. Esto es importante para entender cómo los diferentes tipos de ondas afectan a los materiales que las rodean.

PhET Explorations: Onda en una cuerda

Mira cómo vibra una cuerda en cámara lenta. Mueve el extremo de la cuerda y haz ondas, o ajusta la frecuencia y la amplitud de un oscilador. Ajusta la amortiguación y la tensión. El extremo puede estar fijo, suelto o abierto.

Haga clic para ejecutar la simulación.

Resumen de la sección

  • Una onda es una perturbación que se mueve desde el punto de creación con una velocidad de onda vw.
  • Una onda tiene una longitud de onda λ, que es la distancia entre partes idénticas adyacentes de la onda.
  • La velocidad y la longitud de onda están relacionadas con la frecuencia y el periodo de la onda mediante {v}_{texto{w}}=\frac{\lambda}{T}\ o vw = fλ.
  • Una onda transversal tiene una perturbación perpendicular a su dirección de propagación, mientras que una onda longitudinal tiene una perturbación paralela a su dirección de propagación.

Preguntas conceptuales

  1. Da un ejemplo de onda transversal y otro de onda longitudinal, teniendo cuidado de anotar las direcciones relativas de la perturbación y de la propagación de la onda en cada uno.
  2. ¿Cuál es la diferencia entre la velocidad de propagación y la frecuencia de una onda? Afecta una o ambas a la longitud de onda? Si es así, ¿cómo?

Problemas &Ejercicios

  1. Las tormentas en el Pacífico Sur pueden crear olas que viajan hasta la costa de California, que está a 12.000 km de distancia. ¿Cuánto tiempo tardan si viajan a 15,0 m/s?
  2. Las olas en una piscina se propagan a 0,750 m/s. Salpicas el agua en un extremo de la piscina y observas que la onda va al extremo opuesto, se refleja y vuelve en 30,0 s. ¿A qué distancia está el otro extremo de la piscina?
  3. Las ráfagas de viento crean ondas en el océano que tienen una longitud de onda de 5,00 cm y se propagan a 2,00 m/s. ¿Cuál es su frecuencia?
  4. ¿Cuántas veces por minuto se balancea un barco sobre las olas del océano que tienen una longitud de onda de 40,0 m y una velocidad de propagación de 5,00 m/s?
  5. Los exploradores de un campamento sacuden el puente de cuerda que acaban de cruzar y observan que las crestas de las olas están a 8,00 m de distancia. Si agitan el puente dos veces por segundo, ¿cuál es la velocidad de propagación de las ondas?
  6. ¿Cuál es la longitud de onda de las ondas que se crean en una piscina si se salpica con la mano a una frecuencia de 2,00 Hz y las ondas se propagan a 0,800 m/s?
  7. ¿Cuál es la longitud de onda de un terremoto que te sacude con una frecuencia de 10.0 Hz y llega a otra ciudad a 84,0 km de distancia en 12,0 s?
  8. Las ondas de radio transmitidas a través del espacio a 3,00 × 108 m/s por la nave espacial Voyager tienen una longitud de onda de 0,120 m. ¿Cuál es su frecuencia?
  9. Tu oído es capaz de diferenciar los sonidos que llegan al oído con sólo 1,00 ms de diferencia. ¿Cuál es la distancia mínima entre dos altavoces que producen sonidos que llegan en momentos notablemente diferentes en un día en que la velocidad del sonido es de 340 m/s?
  10. (a) Los sismógrafos miden los tiempos de llegada de los terremotos con una precisión de 0,100 s. Para obtener la distancia al epicentro del terremoto, comparan los tiempos de llegada de las ondas S y P, que viajan a diferentes velocidades. ) Si las ondas S y P viajan a 4,00 y 7,20 km/s, respectivamente, en la región considerada, ¿con qué precisión se puede determinar la distancia al origen del terremoto? (b) Las ondas sísmicas procedentes de detonaciones subterráneas de bombas nucleares pueden utilizarse para localizar el lugar de las pruebas y detectar violaciones de las prohibiciones de las mismas. Discuta si su respuesta a (a) implica un límite serio para dicha detección. (Tenga en cuenta también que la incertidumbre es mayor si hay una incertidumbre en las velocidades de propagación de las ondas S y P.)

Figura 7. Un sismógrafo como el descrito en el problema anterior.(crédito: Oleg Alexandrov)

Glosario

Onda longitudinal: una onda en la que la perturbación es paralela a la dirección de propagación

Onda transversal: una onda en la que la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación

Velocidad de la onda: la velocidad a la que se mueve la perturbación. También se llama velocidad de propagación o velocidad de propagación

longitud de onda: la distancia entre partes idénticas adyacentes de una onda

Soluciones seleccionadas de problemas & Ejercicios

1. t = 9,26 d

3. f = 40,0 Hz

5. vw = 16,0 m/s

7. λ = 700 m

9. d =34,0 cm

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.