Guía de Ondas. Figura 1: Diversos fenómenos en donde se manifiesta el sonido.

Transcripción

1 Curso de Física para Primero Medio QUÉ ES UNA ONDA? 1. Introducción Guía de Ondas Qué hay de común en las siguientes ilustraciones? Figura 1: Diversos fenómenos en donde se manifiesta el sonido. El sonido, la luz del sol, el movimiento del agua en la superficie del lago, lo que recibe una antena, el movimiento de un resorte o de una cuerda, la luz de la linterna... todos son ONDAS. Resulta sorprendente? En algunos casos, no. Por ejemplo, las ondas en el agua nos resultan muy familiares, porque las vemos como ondulaciones. En el caso del sonido, ya no es tan cierto y si resulta sorprendente que un rayo de luz que entra por la rendija de nuestra ventana en la mañana, sea también una onda. No fue fácil para los cientificos encontrar esta similitud en fenómenos aparentemente tan distintos. La historia es larga y llena de vicisitudes, como suele ocurrir en todas las cosas que, finalmente, logran imponerse. Los siglos XVII y XVIII fueron de una gran actividad cientifica a propósito de los fenómenos luminosos. Famosa es, al respecto, la controversia entre el gran fisico inglés Isaac Newton y el holandés Christiaan Huygens, a propósito de la naturaleza de la luz. Newton pensaba que la luz estaba formada por pequeñisimas partículas, en contraposición de Huygens, que decía que la luz era una onda. Fue el gran peso del prestigio de Newton lo que retardó el triunfo de la hipótesis de Huygens. En la actualidad, estamos en una etapa en que, en cierto modo, podemos afirmar que ambos tenian algo de razón. Las últimas teorías en física nos dicen que la luz es un quantum, que entre otras cosas, quiere decir que coparticipa de propiedades de las particulas y algunas propiedades de las ondas. Nada más oportuno, entonces, que estudiar que es una onda? Qué propiedades tiene que nos permite decidir que se trata de ella cuando no vemos su forma ondulada?. Las ondas mencionadas arriba tienen diferente naturaleza, diferentes velocidades, se propagan de distinta manera, pero todas poseen en común algo muy importante: ENERGÍA. 2. Qué es una onda? Imaginemos ahora que la persona, sujetando la soga, moviese su mano en forma continua hacia arriba y hacia abajo de la posición inicial, En este caso tendremos una serie de pulsos producidos 1

2 Curso de Física para Primero Medio CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS alternadamente hacia arriba y hacia abajo, que se propagan a lo largo de la cuerda, como muestra la figura 2. Decimos que tal serie de pulsos hacia arriba se denominan crestas de la onda, y los puntos más bajos de los pulsos hacia abajo son los valles de la onda (figura 2). Un punto cualquiera del medio material (en este caso la cuerda), al ser alcanzado por la ondulación, inicia un movimiento vibratorio y oscila mientras pasa por él la onda. Por ejemplo, el punto P de la figura 2 vibra dirigiéndose de P a P 1, yendo luego hasta P 2 y regresando a P, y así susesivamente, mientras pasan por él las crestas y los valles. La longitud y la frecuencia de vibración de este punto definen la amplitud y la frecuencia de la onda, es decir la amplitud y la frecuencia de una onda son la amplitud y la frecuencia de las vibraciones de un punto del medio en el cual se propaga. De manera que en la figura 2, la amplitud de la onda es P P 1 (o bien, P P 2 ) y la frecuencia de la onda es el número de vibraciones que realiza el punto P durante 1 segundo. Figura 2: Las ondas están formadas de crestas y valles que se propagan a lo largo de la cuerda. 3. Clasificación de las ondas Pueden clasificarse de muchas maneras atendiendo a diferentes aspectos. Por ejemplo, según su naturaleza pueden ser mecánicas (las ondas sonoras) o electromagnéticas (ondas luminosas, rayos X, etc.). Si las clasificamos atendiendo al movimiento de las partículas que vibran las ondas más comunes son las transversales y las longitudinales. Si una manguera o un cordel, un elástico o un resorte de 4 a 6 metros de largo se sujeta tenso y se da bruscamente un moviniento hacia arriba con la mano la cual vuelve a su posición de equilibrio, se observará la formación de una ONDA PULSO que viaja a lo largo del cordel y regresa hacia la mano despúes de reflejarse el el extremo fijo A (figura 3). 2

3 Instituto Nacional Departamento de F ısica Curso de F ısica para Primero Medio 2013 DE LAS ONDAS 3 CLASIFICACION Figura 3: Una onda pulso. Si en vez de un movimiento brusco como el indicado, se da una serie de movimientos peri odicos hacia arriba y abajo se forma un TREN DE ONDAS que avanza a lo largo del cordel tal como lo indica la figura 4. Se observa que las part ıculas del cordel oscilan perpendicularmente a la propagaci on de la onda y cuando esto sucede la onda se llama TRASVERSAL. Figura 4: Un tren de ondas Ondas longitudinales Si se dispone de varios p endulos cuyas esferas est an unidas por peque nos trozos el asticos, al dar un impulso a la primera de ellas en la misma direcci on de la recta que las une, las dem as tambi en entrar an en vibraci on pero con cierto retraso con relaci on a la primera. Prof.: Sebasti an Godoy Orellana Depto. F ısica

4 Curso de Física para Primero Medio Cómo viajan las ondas? CÓMO VIAJAN LAS ONDAS? Podemos, ya a esta altura, precisar que Una ONDA es una energía que se ha soltado de la fuente que la produce y se propaga como una perturbación autónoma en el espacio y en el tiempo. Hemos visto que algunas ondas no pueden propagarse en el vacío, como las ondas del sonido. Por esta razón dichas ondas se llaman ONDAS MATERIALES o, también, ONDAS MECA- NICAS. 1 En cambio, la luz, las ondas de radio, pueden propagarse tanto en medios materiales como en el vacío. Dichas ondas se llaman ELECTROMAGNÉTICAS. Nos preocuparemos ahora de cómo es la propagación de las ondas. Comencemos por las más visibles: las ondas en la superficie del agua. Hacia dónde se propaga un perfil de dichas ondas? Claramente, podríamos decir que se propaga perpendicularmente a la dirección en que vibra el medio, como se ilustra en la figura 5. Figura 5: Una onda transversal. Cuando esto ocurre, decimos que la onda es TRANSVERSAL. Una onda es TRANSVERSAL si su dirección de propagación es perpendicular a la oscilación del medio. 1 En estricto rigor, las ondas MATERIALES son aquellas que son generadas por las partículas fundamentales como el electrón. Por lo tanto, es incorrecto hablar de ondas materiales cuando se habla de ondas que se transmiten en medios elásticos. 4

5 Curso de Física para Primero Medio Laboratorio 1 CÓMO VIAJAN LAS ONDAS? Tema: Ondas longitudinales Objetivo: Observar ondas longitudinales en un resorte. Materiales: 1 resorte largo. Actividades 1. Ubique el resorte sobre una superficie horizontal lisa. 2. Empuje con la mano, por un instante, el resorte en uno de sus extremos, provocando un acortamiento instantáneo de un sector, tal como se ilustra en la figura 6. Figura 6: Generando un tipo de onda. 3. Observe lo que ocurre. Pegue dos trocitos de papel en dos espiras del resorte, a una cierta distancia. Comprímalo como en el punto 2. Describa el movimiento de los papeles. 4. Indique, en un dibujo esquemático, la dirección de propagación de la perturbación. 5. Indique, ahora, la dirección de la oscilacón del medio, que será la dada por el movimiento del papelito de referencia. 6. Genere, ahora, un pulso, como el indicado en la figura 7. Figura 7: Generando otro tipo de onda. 7. Observe lo que ocurre. 8. Repita, para este caso, los puntos 4, 5 y 6 anteriores. Qué tipo de onda se formó? La onda generada en la primera parte del laboratorio anterior, tiene la particularidad de que la dirección de propagación y de vibración es la misma, como se muestra a continuación. Obsérvese que se habla de dirección y no de sentido. Así las cosas, Una onda se dice LONGITUDINAL si su dirección de propagación es paralela a la vibración del medio. 5

6 Curso de Física para Primero Medio TIPOS DE ONDAS 5. Tipos de ondas Las ondas sonoras son cambios de presión, compresiones y enrarecimientos del medio, por ejemplo, del aire. Son del tipo transversal. Hemos visto, en el laboratorio anterior, valiéndose de un resorte, lo que significa la compresión. En una onda sonora se trata de un aumento y disminución longitudinal de la presión. La similitud de las ondas longitudinales en el resorte y las ondas de sonido es sólo una aproximación. En el sonido es más complicado, pues hay una transmición en tres dimensiones. En el próximo laboratorio, ocuparemos la simplificación dada por un resorte para entender lo que significa enrarecimiento. Laboratorio 2 Tema: Ondas longitudinales en resortes Objetivo: Observar el enrarecimiento de un medio. Materiales: 1 resorte largo. Actividades 1. Disponga el resorte sobre una superficie lisa. 2. Tome el resorte de un extremo y dé un tirón brusco de 10 ó 15 cm hacia fuera. 3. Observe detenidamente lo que ocurre. Repita el punto 2, para mejorar su observación. 4. Conteste las siguientes preguntas: Que sucede con la distancia entre las espiras del resorte? Describa lo que ocurre. Qué nombre daría a las regiones donde las espiras se separan más de la separación normal? Los cientificos llaman a esto RAREFACCIÓN o ENRARECIMIENTO del medio. Se desplaza esta rarefacción? En qué dirección? Algo similar a la rarefacción en el resorte, ocurre en el aire con una onda sonora. Las moléculas del aire, si éste es el medio, transmiten una rarefacción. Insistimos aquí, que el ejemplo del resorte es una simplificación de lo que realmente ocurre en un medio con las ondas sonoras. Así, podemos decir que: El viaje del sonido a través del medio (aire, por ejemplo) consiste en compresiones y rarefacciones alternadas. Las compresiones y rarefacciones viajan a la misma rapidez y en el mismo sentido. Las moléculas de aire no son arrastradas por las ondas: cada molécula vibra solamente. Si el sonido viaja de izquierda a derecha, las moléculas de aire vibran de izquierda a derecha a lo largo de la línea de avance de la onda; esto conforma la onda longitudinal de sonido. Laboratorio 3 Tema: Reflexión Objetivo: Observar la reflexión de un pulso en un resorte. Materiales: 1 resorte largo (3 metros aprox.) 1 cordel de 1 metro de largo. 1 cronómetro. 6

7 Curso de Física para Primero Medio TIPOS DE ONDAS Actividades 1. Disponga el resorte en una superficie lisa horizontal. Puede ser el suelo. 2. Ate un extremo del resorte a la pared. 3. Produzca un pulso horizontal, como se muestra en la figura. Figura 8: Generando un tercer tipo de onda. 4. Observe lo que ocurre. 5. Describa las características del pulso reflejado en el extremo fijo del resorte. Observe también en la amplitud del pulso incidente y la amplitud del reflejado. 6. Mide el tiempo, con el cronómetro, que demora el pulso en llegar a la pared. Mide el tiempo que demora en volver a su mano. Cómo son las rapideces de uno respecto del otro? 7. Libere el resorte de la pared y, ahora, átelo a un cordel largo. El extremo libre del cordel fíjelo en la pared. 8. Genere un pulso como el del punto Observe y describa las características de los pulsos incidente y reflejado en el resorte. Mira, como se hizo en 6, el tiempo para determin ar la rapidez de los pulsos. Observe lo que ocurre, en general, con las amplitudes. Laboratorio 4 Tema: Refracción Objetivo: Observar lo que ocurre cuando un pulso en un resorte cambia de medio de propagación. Materiales: 2 resortes largos, diferentes (por ejemplo de distinto material). 1 cronómetro. Actividades: 1. Una los resortes diferentes por uno de sus extremos. 2. Póngalos en una superficie horizontal lisa. 3. Genere un pulso horizontal, tal como se indica en la figura. 4. Observe lo que ocurre y descríbalo. 7

8 Curso de Física para Primero Medio TIPOS DE ONDAS Figura 9: Generando un cuarto tipo de onda. 5. Mida el tiempo que demora el pulso incidente en viajar por el resorte I. 6. Mida el tiempo que demora el pulso que pasa hacia el resorte II, (pulso refractado), en recorrerlo completo. 7. Mida las longitudes de ambos resortes y calcule las rapideces del pulso en uno y otro. 8. Compare las longitudes de onda y las amplitudes de las ondas refractadas y reflejadas. 9. Repita todas las actividades, pero, ahora, genere el pulso en el resorte II. Laboratorio 5 Tema: Interferencia Objetivo: Observar interferencia de pulsos. Materiales: 1 resorte largo (3 metros aprox). Actividades 1. Disponga el resorte sobre una superficie lisa. 2. Con la participación de dos alumnos, se generan pulsos en ambos extrremos del resorte. 3. Observe lo que sucedecuando dos pulsos, que se han generado hacia el mismo lado del resorte, se cruzan. 4. Observe lo que sucede cuando los pulsos, que se han generado hacia lados contrarios del resorte, se cruzan. 5. Repita y observe una y otra vez las actividades 3 y 4, ponga atención a lo que ocurre con los pulsos despúes del cruce de ellos. 8