OSCILACIONES Y ONDAS. Profesor: Carlos Gutiérrez Arancibia

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1 CORPORACION EDUCACIONAL JUAN XXIII COLEGIO "CARDENAL RAÚL SILVA HENRÍQUEZ" DEPARTAMENTO DE CIENCIAS FÍSICA OSCILACIONES Y ONDAS Profesor: Carlos Gutiérrez Arancibia

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3 Movimiento Oscilatorio Es todo aquel movimiento de vaivén (ida o vuelta) en torno a un punto central o de equilibrio, en donde las partículas «van y vienen» siguiendo la misma trayectoria, pero cambiando el sentido de velocidad. Periódico: Oscilaciones ocurren en el mismo intervalo de tiempo.

4 Cómo se forma una onda? Una onda es una perturbación que es capaz de propagarse. Cuando tienes un recipiente con agua y luego dejas caer unas gotas Qué ocurre en el recipiente? Los anillos que se forman son concéntricos y avanzan a medida que se agrandan. Se produce vibración, donde se propaga la oscilación.

5 Cómo se forma una onda? Si tomas el extremo de una cuerda, y le generas movimiento se produce un pulso que viaja a través de ésta. Las partículas en reposo se mueven de arriba abajo, regresando al reposo después. Oscilaciones repetitivas en intervalos iguales de tiempo, la onda es periódica.

6 Clasificación de las ondas

7 Clasificación de las ondas I. De acuerdo a la dirección de propagación: Ondas Transversales: Son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio, en el que se propaga la onda, vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, cuando en una cuerda sometida a tensión se pone a oscilar uno de los extremos. Ej: Ondas en estanques de agua, en una cuerda u ondas electromagnéticas. Ondas Longitudinales: Las partículas del medio vibran en la misma dirección de la onda, así sucede con el sonido, también se aprecia esto cuando un resorte cuelga, verticalmente, de uno de sus extremos y es puesto a oscilar en dirección vertical.

8 Clasificación de las ondas II. De acuerdo con el número de dimensiones que se propaga la onda: Ondas Unidimensionales: Se propagan en una sola dirección, como en las cuerdas y en los resortes. Ondas Bidimensionales: Se propagan en dos direcciones. Cuando cae un objeto en un charco. Ondas Tridimensionales: Se propagan en tres direcciones. Ejemplos el sonido y la luz.

9 Clasificación de las ondas III. De acuerdo con el medio de propagación: Ondas Mecánicas: Requieren de un medio para propagarse. El medio puede ser sólido, líquido o un gas. Ondas Electromagnéticas: Se propagan en el vacío y en un medio material. Se desplazan debido a la acción de campos eléctricos y magnéticos. Se generan por la vibración u oscilación de cargas eléctricas.

10 Clasificación de las ondas IV. De acuerdo a la forma de propagación: Ondas Viajeras: Se propagan libremente desde su fuente, en una región no limitada del espacio. Pueden ser mecánicas o electromagnéticas, transversales o longitudinales. Ondas Estacionarias: Se forma a partir de una onda que luego de ser emitida rebota, regresando a la fuente. Se propaga en una región limitada del espacio. No todas las partículas del medio vibran con la misma amplitud.

11 Características de las ondas Periodo (T): Es el tiempo que demora una partícula o un objeto en realizar una oscilación o ciclo completo.

12 Características de las ondas Frecuencia (f): Número de oscilaciones completas o ciclos que se producen por unidad de tiempo.

13 Características de las ondas Rapidez de propagación de una onda (v): Relaciona la distancia recorrida con el tiempo.

14 Ejercicios de frecuencia, periodo, rapidez de propagación y longitud de onda.

15 FENÓMENOS ONDULATORIOS FENÓMENOS DE ONDAS

16 Definición y Descripción Los fenómenos ondulatorios son situaciones particulares en donde las ondas manifiestan determinadas propiedades. Dentro de las clasificaciones podemos encontrar: Reflexión Refracción Interferencia Difracción Polarización

17 Reflexión Se denomina reflexión de una onda cuando esta cambia de dirección al chocar con una superficie lisa y pulida. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa la onda se refleja en todas direcciones, este fenómeno es un caso particular de la reflexión y se llama difusión.

18 Refracción Se denomina refracción de una onda al cambio de dirección y de velocidad que experimenta ésta cuando pasa de un medio a otro en el que puede propagarse. Cada medio tiene una constante que representa esa desviación llamada índice de refracción

19 Interferencia Cuando dos o más oscilaciones se interceptan entre si, pueden obtener como resultado una onda de mayor o de menor amplitud, en función de esto es que podemos exponer dos tipos de interferencia: Interferencia constructiva: de la interacción resulta una onda de mayor amplitud. Interferencia Destructiva: de la interacción resulta una onda de menor amplitud.

20 Interferencia

21 Difracción Se denomina difracción de una onda a la propiedad que tienen las ondas de rodear los obstáculos en determinadas condiciones. Para que se produzca este fenómeno el obstáculo o abertura debe tener dimensiones semejantes a la longitud de onda de la oscilación en cuestión.

22 Polarización

23 ONDAS MECÁNICAS

24 El Sonido El sonido es el representante más utilizado para describir el comportamiento de las ondas mecánicas. Requiere de un medio material y elástico para propagarse. También es una onda longitudinal.

25 Características del Sonido

26 Características del Sonido Tono o altura: Permite distinguir cuando un sonido es más grave o más agudo. Depende de la frecuencia de la onda sonora. Sonidos agudos frecuencia alta, sonidos graves frecuencia baja. Ondas Ultrasónicas: Uso en medicina (ecografías, destrucción cálculos renales. Ondas infrasonido: características de las ondas sísmicas.

27 Características del Sonido Timbre o Calidad: Permite diferenciar dos o más sonidos de igual altura e intensidad emitidos por fuente sonoras distintas.

28 Características del Sonido Intensidad: Distingue si un sonido es fuerte o débil. Depende de la amplitud de la onda. Su unidad de medida es el decibel (db) Sonidos fuertes gran amplitud en las ondas, sonidos débiles ondas de menor amplitud. La intensidad del sonido es la energía que transporta una onda por unidad de tiempo y de área.

29 Características del Sonido Rapidez de propagación: Como en todas las ondas, la velocidad del sonido depende de las características del medio donde se propaga. Estos factores son la comprensibilidad o rigidez, densidad y temperatura. V sólido>v líquido>v gaseoso La rapidez de propagación del sonido es independiente de la frecuencia y de la longitud de onda.

30 Fenómenos Ondulatorios del Sonido Reflexión Eco. Reverberación. Absorción. Transmisión. Efecto Doppler Variación de la Frecuencia. Movimiento Relativo entre Fuente observador.

31 Fenómenos Ondulatorios del Sonido El sonido como onda se puede reflejar, difractar y además cumple con el principio de superposición. Reflexión: Fenómeno que se produce cuando la onda sonora llega hasta un elemento que se opone a su propagación y se refleja cambiando o invirtiendo sus sentido Eco: cuando la onda sonora se refleja perpendicularmente en una pared. Debe haber una distancia entre la superficie reflectante y el foco sonoro.

32 Fenómenos Ondulatorios del Sonido Reverberación: reflexión del sonido consistente en una ligera persistencia del sonido. El tiempo de separación entre el sonido emitido y el reflejado sea menor de 0,1 segundo, nuestro oído percibirá un solo sonido prolongado. El obstáculo debe estar a menor de 17 metros.

33 Fenómenos Ondulatorios del Sonido Absorción: Sirve para disminuir la intensidad de los sonidos reflejados. Algunos materiales: cortinas, alfombras o butacas tapizadas. Para determinar la cantidad de energía que absorbe un material, se define el coeficiente de absorción sonora. Porcentaje de energía absorbido por unidad de espesor de un material

34 Fenómenos Ondulatorios del Sonido Refracción: Ocurre cuando la onda sonora cambia de medio, debido al cambio en su rapidez de propagación. Durante los días fríos, el aire de las capas cercanas a la superficie terrestre se encuentra a menor temperatura que en las capas superiores. Esto hace que las ondas sonoras se desvíen hacia abajo como consecuencia de la refracción. En un día caluroso, el aire en las capas mas cercanas a la superficie se encuentra a mayor temperatura que en las capas mas frías. Por lo tanto, el sonido, debido a la refracción, se desvía hacia arriba.

35 Fenómenos Ondulatorios del Sonido Difracción: Cuando las ondas sonoras encuentran un espacio en un obstáculo, se propagan curvándose para pasar a través de dicho espacio. La difracción se produce cuando la longitud de la onda del sonido es similar a la longitud de la abertura u obstáculo. Es en ese punto donde la onda se difracta, posibilitando que la dirección de propagación se amplie.

36 Fenómenos Ondulatorios del Sonido Interferencia: Cuando dos o mas ondas de la misma naturaleza pasan simultáneamente por una misma región, sus elongaciones se suman. Este es el principio de superposición.

37 Velocidad del Sonido con la Temperatura La Velocidad del sonido con respecto a la temperatura es directamente proporcional.

38 Velocidad del Sonido con la Temperatura En el aire, a 0 C, el sonido viaja a una velocidad de 331 m/s y si sube en 1 C la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s por lo que cada 5º aumentará 0,6 5= 3m/s 0 C 331m/s 5 C 334m/s 10 C 337m/s 15 C 340m/s 20 C 343m/s 25 C 346m/s 30 C 349m/s 35 C 352m/s 40 C 355m/s

39 Velocidad del Sonido con la Temperatura Una cuerda vibra con una frecuencia de 284 Hz, determinar la longitud de onda de sonido producido. Si la temperatura ambiente es de 25 C. Un trueno presenta un periodo de 4,5 seg después de haberse observado el relámpago. Calcular la longitud de onda a que cayo el trueno con temperatura ambiente de 10 C

40 EFECTO DOPPLER El efecto Doppler corresponde al cambio en la percepción de la frecuencia que detectamos de una onda debido al movimiento de su fuente, del receptor o de ambos.

41 EFECTO DOPPLER Cuando la ambulancia se va acercando se aprecia un tono más agudo (mayor frecuencia), y la longitud de onda se acorta y se percibe más grave (menor frecuencia) a medida que se aleja, la longitud de onda aumenta.

42 EFECTO DOPPLER Para determinar el efecto Doppler debemos tener en consideración la siguiente fórmula: f`: frecuencia que percibe el observador. f: frecuencia que emite la fuente. ν: velocidad del sonido (343 m/s) ν o : velocidad del observador ν f : velocidad fuente emisora

43 EFECTO DOPPLER Positivo (+) observador de acerca. Negativo (-) fuente emisora se acerca Negativo (-) observador se aleja. emisora se aleja Positivo (+) fuente Cuando la fuente emisora está en movimiento Positivo (+) si se aleja del receptor Negativo (-) si se acerca al receptor

44 EFECTO DOPPLER 1. Una ambulancia viaja al este por una carretera con velocidad 33.5 m/s ; su sirena emite sonido con una frecuencia de 400 Hz. Qué frecuencia escucha una persona en un auto que viaja al oeste con velocidad 24.6 m/s. a) Cuando el auto se acerca a la ambulancia b) cuando el auto se aleja de la ambulancia 2. Un conductor viaja al norte con velocidad 25.0 m/s. Un auto policial que viaja al sur con velocidad 40.0 m/s, se acerca con su sirena emitiendo a una frecuencia de 2500 Hz. a) Qué frecuencia observa el conductor cuando se acerca el auto policial b) Qué frecuencia observa el conductor cuando se aleja el auto policial

45 EFECTO DOPPLER 1. La radio (fuente en reposo) emite un sonido con frecuencia de 400 Hz. El observador camina hacia la fuente con una velocidad de 20 m/s. Con qué frecuencia recibe el sonido el observador? 2. La sirena de la ambulancia emite un sonido cuya frecuencia es de 200 Hz. La ambulancia viaja a 80 m/s (alejándose del receptor). El receptor se aleja de la ambulancia a una velocidad de 5 m/s. Con qué frecuencia recibe el sonido el receptor?

46 EFECTO DOPPLER 1. La frecuencia del silbato de una locomotora de tren es de 350 Hz. El tren viaja con una velocidad de 20m/s. que frecuencia percibe un observador en reposo cuando el tren se acerca? y cuando se aleja? Dato (v sonido=340 m/s) 2. La sirena de un camión de bomberos en reposo emite con una frecuencia de 400 Hz, calcula la frecuencia que percibe un ciclista con una velocidad de 10 m/s. a) cuando el ciclista se acerca al camión b)cuando se aleja Dato (v sonido=340 m/s)

47 EFECTO DOPPLER 1. Una ambulancia que lleva una velocidad de 40 m/s, y su sirena emite un sonido con una frecuencia de 400 Hz, se cruza con un automóvil que transita en sentido contrario con una velocidad de 25 m/s. Qué frecuencia percibirá el conductor del automóvil cuando se aproximan los vehículos y cuando se alejan? Dato (v sonido=340 m/s) 2. El conductor de un vehículo, que lleva una velocidad de 30 m/s, hace sonar el claxon que emite en una frecuencia de 300 Hz. Si frente al vehículo hay una montaña, calcula la frecuencia del eco que percibe el conductor. Dato (v sonido=340 m/s)

48 EFECTO DOPPLER 1. Calcular la frecuencia que recibe un espectador cuando un automóvil se acerca a una velocidad de 40 m/s. El motor emite una frecuencia de 200 Hz y la temperatura ambiente es de 30 C. 2. Una ambulancia se mueve con una velocidad de 80 m/s y su sirena emite una frecuencia de 100 Hz, de igual manera viene un carro en sentido contrario a 60 m/s. Calcule la frecuencia cuando los dos autos se están acercando, Es mayor o menor? Y cuando se están alejando es mayor o menor?

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