Tema 6. Movimiento ondulatorio

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1 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio Tema 6. Movimiento ondulatorio Movimiento ondulatorio Tipos de ondas Elementos de una onda El sonido. Audición Cualidades del sonido La luz Reflexión Refracción Espejos Lentes Dispersión de la luz Problemas Práctica Para saber mas y ampliar conocimientos: Internet página 1 de 10

2 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 2 de 10 MOVIMIENTO ONDULATORIO Qué ocurre con un trozo de corcho que flota en un estanque cuando una piedra cae al agua lejos de él. Observamos que, al cabo de un rato, el corcho comienza a moverse. Inicialmente estaba en reposo al igual que la superficie del estanque pero, al ser alcanzado por la perturbación, comienza a moverse. La energía que posee se la ha comunicado la onda. Sin embargo el corcho solamente se mueve de arriba hacia abajo y viceversa, no avanza hacia las orillas. Es decir un movimiento ondulatorio transporta energía sin que la materia sea transportada. TIPOS DE ONDAS Según necesiten o no de un medio material para propagarse: Ondas materiales o mecánicas necesitan para propagarse de la existencia de un medio material. Ejemplos: ondas sonoras, las olas en un estanque, las ondas que se propagan por una cuerda... Escuchamos el sonido de la guitarra porque hay aire capaz de trasmitirlo, una explosión estelar no podemos escucharla, no existe un medio material que la transmita, no obstante la luz que emite una estrella o una galaxia llega a nosotros. Ondas electromagnéticas pueden propagarse en el vacío, sin la existencia de un soporte material. Se trata de un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares y variables autosostenidos. Ejemplos: la luz, las ondas de radio, microondas, rayos X... Según las direcciones de la vibración de las partículas alcanzadas por la onda y la dirección de propagación de ésta: Ondas longitudinales: La vibración de las partículas alcanzadas por la perturbación es la misma que la dirección de propagación de la onda. El sonido es de este tipo de ondas. Ondas transversales: La vibración de las partículas tiene una dirección perpendicular a la de la propagación de las ondas. Las olas de un estanque son de ese tipo.

3 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 3 de 10 En una onda se debe distinguir varios elementos: ELEMENTOS DE UNA ONDA Antes de seguir adelante conviene definir una serie de conceptos referidos a las ondas. - Pulso corresponde a la perturbación originada por una oscilación completa del punto donde se produce la perturbación. Este viaja por el medio por el que se propaga la onda a una cierta velocidad (constante si el medio es homogéneo). - Una onda suele estar constituida por una sucesión de pulsos. Cuando la perturbación que la origina es periódica se puede hablar de trenes de onda que serían el conjunto de pulsos. - Llamamos período al tiempo que transcurre entre dos pulsos consecutivos si este es constante, o bien al tiempo en que la partícula del medio en el que se propaga la onda repite posiciones de forma consecutiva. Se mide en s en el S.I. - El número de veces que un punto es alcanzado por la perturbación en la unidad de tiempo se llama frecuencia. Se mide en Herz (1 Hz = 1 ciclo/s). - La distancia entre dos pulsos consecutivos se llama longitud de onda, y se mide en m. - Se dijo anteriormente que la velocidad de propagación de la perturbación era constante en un medio isótropo y se puede calcular considerando simplemente la velocidad con que se propaga un pulso. Este recorre una distancia igual a la longitud de onda en un tiempo igual al período. v = λ / T = λ f - Elongación es la separación en cualquier momento, de cada partícula respecto de la posición de equilibrio. - Se define como amplitud la elongación máxima de cualquier punto respecto de la posición de equilibrio. - Se llama número de onda k al número de longitudes de onda que hay en una distancia 2 3,14 es decir: k = 2π / λ También se puede poner como k = 2πf / λ f = ω / v En espectroscopia se llama número de onda a la inversa de la longitud de onda. Es decir un movimiento ondulatorio transporta energía sin que la materia sea transportada.

4 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 4 de 10 EL SONIDO El sonido es una onda material que se produce como consecuencia de la vibración en la fuente sonora. Es decir se transmite la energía de un cuerpo que vibra. Puede ser un diapasón o nuestras cuerdas vocales. Esta vibración se transmite a las partículas próximas a la fuente que también oscilan y transmiten esta energía a las partículas más próximas que se ponen a vibrar. Así pues se originan en el medio material en que se transmite unas zonas de presiones mas altas (compresión) y otras de presiones más bajas (enrarecimiento) que se propagan en todas las direcciones del medio formando frentes de onda esféricos si el medio es isótropo. Está claro que para que se transmita el sonido es necesario que exista un medio material elástico que lo transmita por lo que las ondas sonoras son ondas materiales o mecánicas. Las ondas sonoras son longitudinales, es decir, la dirección de la perturbación en el medio y la dirección de propagación de la onda coinciden. En un medio gaseoso, como el aire, la perturbación se produce tan rápido que el proceso transcurre sin variación de calor, proceso adiabático. La velocidad de propagación del sonido en el aire depende de factores ambientales aunque se suele considerar de 340 m/s. En medios líquidos y sólidos la velocidad de propagación es mayor así en el agua es casi de 1500 m/s y en el acero de 5100 m/s. Como cualquier onda el sonido tiene longitud de onda, distancia entre dos zonas consecutivas en el mismo estado de vibración (en este caso presión), periodo es el tiempo empleado por el sonido en recorrer una distancia igual a la longitud de onda y frecuencia es el número de oscilaciones en la unidad de tiempo. Audición: El sonido se propaga por el aire en ondas de frente esférico que transmiten las variaciones de presión del aire al tímpano (membrana que separa el oido externo del oido medio), éste comienza a vibrar y transmite esta perturbación a la cadena de huesecillos que a su vez hacen de puente para la transmisión al oido interno donde las terminaciones nerviosas del nervio auditivo comunican una señal que el cerebro decodifica como sonido.

5 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 5 de 10 Las ondas sonoras deben estar entre los límites de audición correspondientes a frecuencias entre 20 y Hz fuera de este rango de frecuencias no percibimos los sonidos. Las de menor frecuencia son los infrasonidos y las de mayor frecuencia se llaman ultrasonidos. CUALIDADES DEL SONIDO Intesidad o volumen depende de la amplitud del movimiento vibratorio. Esta característica del sonido nos permite distinguir entre sonidos fuertes o débiles. Sonoridad o Nivel de intensidad sonora se relaciona con la intensidad y como ésta disminuye con la distancia. Se toma como unidad para medir el nivel subjetivo de sonoridad el fonio o fon. Esta unidad está definida como la sonoridad de un sonido senoidal de 1000 Hz con un nivel de presión sonora (intensidad) de 0 db. Así, 0 db es igual a 0 fon y 120 db es igual a 120 fon. Eso siempre para sonidos sinusoidales con frecuencias de 1000 Hz. El umbral de audición corresponde (para una frecuencia aproximada de 1000 Hz) a una intensidad (I 0 ) de w/m 2 mientras que para una intensidad de 1 w/m 2 llegamos al umbral de dolor. Se establece la escala en decibelios (db) para medir las intensidades sonoras. Se trata de una escala relativa en la que se define el nivel de intensidad de sonido β de la siguiente forma: β = 10 log ( I / I 0 ) Como se puede deducir los valores de la intensidad sonora serán: en el umbral de dolor 120 db y en el umbral de audición 0 db. Tono se relaciona con la frecuencia, según el tono se distinguen sonidos agudos y graves. Los sonidos mas graves tienen bajas frecuencias, están comprendidas entre los 20 y 300 Hz, medias de 300 a 5000 Hz y agudos entre 5000 y Hz aproximadamente. Timbre permite distinguir entre dos notas iguales emitidas por instrumentos distintos. Depende de lasfrecuencias múltiplos o armónicos que acompañan una frecuencia fundamental. Esta cualidad del sonido nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y tono. La nota LA de la 5ª Octava tiene una frecuencia de 440 Hz en cualquier instrumento y sin embargo suena diferente en un piano o en un violín. En realidad los sonidos son complejos, es decir, contienen muchos armónicos, se pueden determinar mediante cálculos matemáticos (análisis de Fourier) y análisis espectográficos.

6 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 6 de 10 LA LUZ Todo lo que vemos no es más que la luz emitida o reflejada por los cuerpos. La luz es una onda electromagnética que, al contrario que las ondas materiales, puede propagarse sin necesidad de que exista un medio material en el que se propaga. Esta onda electromagnética es una onda transversal en la que se produce al mismo tiempo una variación de un campo eléctrico y perpendicularmente a él de un campo magnético. Se dice que se trata de una onda autosostenida, la variación del campo eléctrico provoca una variación en el campo magnético y también a la inversa La luz se propaga en el aire y en el vacío a una velocidad constante de m/s (c) es la máxima velocidad de la luz, en otros medios su velocidad es menor por ejemplo en el agua 2, m/s. El cociente de la velocidad en el vacío y la velocidad de la luz en otro medio se llama indice de refracción y siempre es mayor que la unidad salvo en el vacío o el aire que vale 1. No tiene unidades puesto que se calcula dividiendo dos velocidades. Se representa por la letra (n) y su valor es: n = c / v En cualquier caso hay objetos que emiten luz, fuentes luminosas, otros que simplemente reflejan parte de la que reciben, objetos iluminados. Además los objetos al llegar la luz a ellos pueden interceptarla, no dejarla pasar, son los objetos opacos. Dejar que pase a través de ellos, son los cuerpos translúcidos y los transparentes. Los primeros dejan pasar la luz a su través pero los rayos emergentes no son paralelos a los incidentes con lo que la imagen queda difusa mientras que en los segundos, al tener los rayos incidentes y emergentes la misma dirección, podemos ver las imágenes nitidas a través de ellos. La Óptica estudia la luz. Puede hacerlo desde el punto de vista del estudio de las ondas y hablamos de Óptica Física o desde el punto de vista de formación de imágenes estudiando las trayectorias de los rayos luminosos y se trata de la Óptica Geométrica.

7 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 7 de 10 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ REFLEXION Cuando una onda viaja por un medio y al llegar a otro no puede penetrar en él se produce un fenómeno de reflexión. Este fenómeno sigue las siguientes leyes: 1. El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie de separación de los dos medios en el punto de incidencia, están en el mismo plano. 2. El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales. La reflexión de la luz la produce cualquier cuerpo visible puesto que recordemos que lo que vemos no es mas que luz reflejada. No obstante esta reflexión puede ser de dos tipos. Especular o difusa Reflexión especular, se produce en superficies muy pulimentadas, en espejos y en metales, de forma que los rayos de luz que llegan paralelos se reflejan y salen paralelos. Reflexión difusa se produce en superficies irregulares de forma que los rayos incidentes paralelos no tienen por qué ser paralelos tras la reflexión. REFRACCION Cuando una onda cambia de un medio a otro se produce una variación en la dirección de propagación de la misma si la velocidad de propagación de las ondas es distinta en los dos medios. Este fenómeno cumple las siguientes leyes: El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los dos medios en el punto de incidencia, están en el mismo plano. Los senos de los ángulos de incidencia y refración guardan entre si una proporción constante e igual al cociente entre las velocidades de propagación de la onda en el medio de incidencia y el de refracción. La refracción provoca fenómenos como el que hace que al observar desde arriba una cucharilla dentro de un vaso nos parezca que está doblada, en realidad se debe a que nuestro cerebro percibe la luz que llega al ojo como sise propagara en línea recta. Los espejismos también se deben a múltiples procesos de refracción que hacen que la luz sea reflejada y se perciba como si se tratara de un reflejo del agua sobre el suelo. En el primer caso el aire caliente, con índice de refracción menor que el frío va haciendo que el rayo procedente de la copa del árbol vaya formando un ángulo de incidencia cada vez mayor con la capa siguiente hasta que supera el ángulo límite y es reflejado percibiéndose como si se tratara de un rayo reflejado en una capa de agua del suelo. En el segundo caso la luz emitida por los faros del coche sufre el mismo proceso pero a la inversa puesto que en la noche el aire cercano al suelo está mas frío que el que está mas alto. Se percibe como si el punto luminoso estuviera en el cielo.

8 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 8 de 10 ESPEJOS Espejos planos provocan una reflexión en la luz y forman una imagen virtual Espejo esférico puede ser cóncavo o convexo formando la imagen tal y como se indica en la animación de la izquierda. Objeto más alejado del centro de curvatura, imagen real menor e invertida Espejo cóncavo Objeto sobre el centro de curvatura, imagen real igual e invertida Objeto entre el centro de curvatura y el foco, imagen real mayor e invertida Objeto entre el foco y el vértice, imagen virtual mayor y derecha Espejo convexo Sea cual sea la posición del objeto la imagen será virtual menor y derecha

9 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 9 de 10 LENTES Están formadas por un medio transparente separado del resto por paredes planas o curvas. Pueden ser de dos tipos: lentes convergentes y lentes divergentes. Lente convergente Todos los rayos que inciden sobre ellas y que son paralelas al eje óptico confluyan en un punto llamado foco. Por otro lado cualquier rayo que parte del foco, después de atravesarla sale paralelo al eje óptico. Objeto a distancia mayor que el doble de la focal: Objeto a una distancia doble de la focal: Objeto sobre el foco: Objeto entre la lente y el foco: Lente divergente Todos los rayos que entran en ellas paralelos al eje óptico se separan de él y sus prolongaciones convergen en el espacio objeto en el foco. Objeto en cualquier posición: DISPERSION DE LA LUZ Cuando la luz atraviesa un prisma sufre una doble refracción al entrar en el prisma y sale de él. Resulta que la luz blanca está formada por muchos colores y cada uno de ellos tiene un índice de refracción distinto lo que da lugar a que la refracción que sufre cada uno de ellos también sea distinto con lo que, la luz blanca que entra en el prisma sale dispersada formando una amplia gama de colores (los del arco iris). que al mismo tiempo caen. Esta es precisamente la explicación de la formación del arco iris. La luz blanca de los rayos del Sol atraviesa las gotas de lluvia

10 Física y Química 4º ESO Movimiento ondulatorio página 10 de 10 PROBLEMAS Y CUESTIONES 1. Una onda se produce cuando una masa unida a un resorte golpea la superficie de un estanque 2 veces cada 1 segundo. Las ondas generadas tardan en llegar desde el foco de la perturbación a un punto situado a 2 metros del mismo un tiempo de 5 segundos. Determina la velocidad de propagación de la onda y la longitud de la misma. 2. La nota do tiene una frecuencia de 261 Hz y otra Fa 430 Hz. Calcula la relación existente entre sus longitudes de onda. 3. Un determinado sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s y en un sólido a 1500 m/s, sabiendo que se trata del mismo sonido indica la relación entre las longitudes de onda en ambos medios. 4. El índice de refracción de un vidrio es 1,45. Calcula la velocidad de propagación de la luz en él. 5. Explica mediante un dibujo por qué razón se ve un lápiz como si estuviera partido cuando se introduce en un vaso con agua. 6. Busca información sobre la causa de la formación de un eclipse de Luna y de un eclipse de Sol. 7. Busca información sobre la formación de los espejismos. 8. Busca información sobre la miopía y la forma de corregirla. 9. El astigmatismo. Cómo se corrige? 10. Por qué razón un ruido muy fuerte puede producir sordera permanente?