Movimiento ondulatorio

Transcripción

1 Semana Empecemos! Cuando lanzas una piedra en un estanque con agua, se perturba la superficie de la misma y puedes observar que se forman círculos concéntricos, alrededor del punto donde cayó la piedra. Así se produce un movimiento que se propaga en forma de ondas. Este es uno de los tantos ejemplos del movimiento ondulatorio, llamado así porque se propaga en forma de ondas y, como ves, es más común de lo que imaginas. Estamos sumergidos en un mundo de ondas, a través de las cuales, por ejemplo, las señales electromagnéticas llegan a los televisores y radios, o el sonido y la luz llegan a nuestros sentidos. Qué sabes de...? Qué es el movimiento armónico simple? Qué tiene mayor período: un péndulo corto o uno largo? Por qué la oscilación de un péndulo no depende de su masa? El reto es... A experimentar! Máquina de ondas Materiales: cintas adhesivas de distinto tipo, 50 palitos de helado, soporte universal u otro soporte, marcador y regla. 232 Montaje: puedes colocar la cinta adhesiva de 2m en una mesa, colocando la cara del pegamento hacia arriba y sujetándola en los extremos con otros pedazos de cinta para que trabajes más cómodamente. Los palitos se pegan a la cinta adhesiva por su parte central y a espacios regulares, cada 5cm; para hacer estas marcas sobre la cinta adhesiva necesitas uti-

2 Semana 12 lizar la regla. Trata de dejar por lo menos 10cm a cada extremo de la cinta para que lo puedas fijar al soporte universal. Luego de tener la Maquina de ondas debes darle vuelta a la cinta, ya que los palitos deben estar en la parte inferior. Utiliza unos soportes universales para pegar cada extremo de la cinta a estos, si no tienes, apóyate en otros objetos donde puedas ubicar los extremos de la cinta. También puedes cambiar la tensión de la cinta acercando o alejando los soportes. Por último empuja con un dedo hacia abajo el palito del extremo de la cinta y observa cómo esta perturbación afecta a todos los demás. Luego de leer el material de esta semana responde: qué tipo de onda se propaga a través de los palitos?, qué sucede cuando la onda llega al otro extremo? Experimento tomado de Figura 30. Propagación de un pulso a lo largo de una cuerda. Vamos al grano Imaginemos a una persona que sujeta una cuerda, moviéndola con su mano hacia arriba y hacia abajo (movimiento oscilatorio); con respecto a la posición inicial, se origina una perturbación en la cuerda. Si la cuerda se mueve de forma continua se tendrá una serie de pulsos alternados hacia arriba y hacia abajo. La serie de pulsos constituyen una onda que se propaga en la cuerda, los puntos más altos del pulso se llaman crestas y los puntos más bajos se llaman valles. Una onda se origina a partir de la propagación en el espacio de una perturbación del medio, desplazándose en todas direcciones transportando energía. 233

3 Semana 12 Al realizar el experimento, observaste cómo esta perturbación afecta a todos los palitos, es decir, la onda se propagó por el medio. En la figura 31 se representa gráficamente una onda indicando sus elementos. A λ Cresta Amplitud A λ Longitud de onda Valle Figura 31. Características de una onda. El máximo valor del desplazamiento a partir del equilibrio de un elemento del medio se denomina amplitud A de la onda y la longitud de onda es la distancia entre crestas, valles o partes idénticas sucesivas de una onda. Se representa con la letra griega λ (lambda). La rapidez de repetición en una vibración por segundo es la frecuencia. Así cuando una onda tenga una frecuencia de 50Hz, quiere decir que realiza 50 vibraciones por segundo. En la figura 31, se hace una marca blanca sobre la cuerda, observa que mientras la onda se propaga a lo largo de la cuerda, la marca no se desplaza horizontalmente con la onda. Un punto cualquiera de la cuerda, al ser alcanzado por la ondulación oscilará mientras la onda pasa por él. Lo que se propaga es la perturbación y no el medio mismo. Un movimiento ondulatorio es la propagación a través del espacio de un movimiento oscilatorio producido en un punto, llamado foco emisor de ondas. El movimiento oscilatorio está relacionado con los fenómenos ondulatorios. Cuando vibra la cuerda de un cuatro se producen oscilaciones de las moléculas del aire que lo rodea y, por la interacción entre unas y otras, las oscilaciones se propagan en el espacio en forma de onda. 234 Las ondas que necesitan de un medio material para propagarse, se conocen como ondas mecánicas. Ejemplo de ellas son las sonoras, que se producen en los resortes o en la superficie de un líquido y las sísmicas que necesitan un medio sólido (Tierra) para propagarse.

4 Semana 12 Sin embargo, existe otra clase de ondas que no necesitan de un medio elástico para transmitirse, pues se propagan en el vacío. Estas reciben el nombre de ondas electromagnéticas. Las ondas de radio, luminosas y los rayos X son un ejemplo de éstas. Rapidez de una onda Sabemos que la rapidez es definida como el cociente entre la distancia y el tiempo. La distancia en este movimiento representa la longitud de onda (λ) y el tiempo es el período (T). Como sabes la frecuencia es el inverso del período, así la fórmula para la rapidez de onda se puede escribir: v = λ T -ov = λ f De la fórmula anterior puedes despejar la longitud de onda, λ= o λ= v T Por otra parte, la frecuencia de la onda puede ser alterada por la persona que la produce. La rapidez de propagación de una onda es constante, si la persona produce una onda de baja frecuencia obtendrá una λ grande (figura 32). v f (1) (2) (a) λ 1 λ 2 v 1 (b) Figura 32 v 2 Otra clasificación de las ondas de acuerdo a la dirección de vibración, son las ondas longitudinales y transversales. En el movimiento de la cuerda (una manguera, un resorte, entre otros), las partículas de ésta, se mueven hacia arriba y hacia abajo formando un ángulo recto con la dirección de la rapidez de la onda. Cuando el movimiento del medio es perpendicular a la dirección en que viaja la onda, se llama onda transversal. Son ejemplos de ondas transversales, las ondas en las cuerdas tensas de los instrumentos musicales, en la superficie de los líquidos y las ondas electromagnéticas. 235

5 Semana 12 No todas las ondas son transversales. Si comprimes un resorte, al soltarlo la onda se traslada horizontalmente y las moléculas vibrarán en esta dirección, es decir, el resorte se moverá hacia atrás y hacia adelante en la misma dirección en la que se transmitió la onda, comprimiéndose en unos casos y alargándose en otros. En una onda longitudinal los puntos del medio en el cual se propaga vibran en forma paralela a su dirección de propagación. Las ondas sonoras son un ejemplo de ondas longitudinales. transversal Longitud de onda Comprensión Expansión longitudinal Longitud de onda Figura 33. s longitudinales y transversales. Una de las características de las ondas longitudinales, es la formación de compresiones y expansiones. En la figura 33 se observan las compresiones, que están formadas por espiras muy juntas entre sí; en cambio, las dilataciones o expansiones están formadas por espiras muy separadas. Las ondas que viajan por el suelo, generadas por un terremoto son de dos clases principales: ondas longitudinales y transversales. 236

6 Semana 12 Propiedades de las ondas En el experimento observaste que cuando la onda llega al otro extremo, choca y se desplaza con sentido contrario. A este cambio de la dirección de la propagación se le llama reflexión; la onda que llega al extremo fijo es la onda incidente y la que se propaga en sentido contrario es la reflejada. Y si pasa de un medio a otro, al variar su velocidad, se desvía, fenómeno que recibe el nombre de refracción. Cuando la onda pasa de un medio a otro en el que la onda viaja más rápido, el rayo refractado se acerca a la normal mientras que, si pasa de un medio a otro en el que la onda viaja a menos velocidad, el rayo se aleja de la normal (ver figura 34). Por ejemplo cuando las ondas en la superficie del agua chocan con un obstáculo en el cual hay una abertura, se producen alteraciones en la estructura de las ondas originando el fenómeno que se conoce como difracción. La difracción es la propiedad que posee una onda de rodear un obstáculo al ser interrumpida su propagación parcialmente por él. incidente transmitida reflejada Rayo incidente Línea normal θ 1 Reflexión Refracción Difracción n 1 Superficie Rayo n refractado 2 θ 2 incidente Figura 34. Propiedades de las ondas Para saber más Te recomendamos visualizar una variedad de videos documentales acerca del movimiento ondulatorio, para seguir profundizando en esta temática que nos permite comprender mejor nuestro entorno desde el punto de vista físico. Puedes consultarlos en las siguientes direcciones web: Disfruta de un juego interactivo de ondas disponible en: F0JKx 237

7 Semana 12 Aplica tus saberes En el experimento realizado se pueden introducir otras variantes, por ejemplo, puedes observar cómo afecta el cambio de medio a la onda. El procedimiento es similar al propuesto en la sección El reto es, pero ahora con dos cintas adhesivas distintas, por ejemplo Scotch y Masking Tape, uniendo ambos en la mitad. El cambio de medio en la parte central producirá la refracción. Observa qué ocurre con la onda, viaja más rápido, más lento o igual? Comprobemos y demostremos que Las evidencias requeridas para esta semana son: informe escrito, participación en el CCA y análisis de situaciones. 1. Cada participante entregará por escrito un informe sobre los videos recomendados en la sección Para saber más, el mismo debe realizarse siguiendo los criterios dados en el área de Lenguaje, para producir textos coherentes, utilizando los términos físicos correctamente y colocando algunas ilustraciones. 2. En la medida de las posibilidades del CCA, el facilitador proyectará los videos sobre el movimiento ondulatorio, posteriormente iniciará el conversatorio en base a preguntas relativas al video. 3. Análisis de situaciones. a) El medio en el que se propaga la onda se mueve a través de ella? Describe un ejemplo que respalde tu respuesta. b) En una larga fila de personas que esperan comprar tickets, la primera persona sale y se presenta un pulso de movimiento cuando las personas avanzan para llenar el hueco. Cuando una persona da un paso hacia adelante, el hueco avanza por línea. La propagación de este hueco es transversal o longitudinal? c) Considera la onda (ola) en un juego de béisbol: las personas se ponen de pie y gritan cuando la ola llega a su lugar y el pulso resultante se mueve alrededor del estadio. Esta onda es transversal o longitudinal? Los grandes espíritus siempre han tenido que luchar contra la oposición feroz de mentes mediocres. Einstein 238