Un tipo particular de movimiento: el movimiento ondulatorio

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Aprende más acerca de las ondas con el video: Ondas: energía en movimiento, col. Física elemental, vol. 1, SEP. También visita el sitio:

www.wikipedia.org/wiki/onda_longitudinal

1.20. El tren de ondas que se forma en una cuerda, produce un movimiento periódico transversal. En cambio, el que se forma en un resorte, se denomina movimiento periódico longitudinal. También se muestran las partes de una onda.

1.3 Un tipo particular de movimiento: el movimiento ondulatorio

¿Has observado que cuando arrojas una piedra en un estanque, se produce un movimiento en círculos que se transmite por toda el agua? En este hecho el agua no se desplaza. Lo que se ve realmente es una perturbación en el medio, ocasionada por la piedra. Al viaje o transmisión de este tipo de movimiento se le llama propagación.

El mismo fenómeno sucede cuando dos personas mantienen sujeta una cuerda larga por sus extremos. Si una de ellas la sacude verticalmente con rapidez, la perturbación se propaga hasta que llega a la mano de la persona que está en el otro extremo. Otra vez, la perturbación es la que viaja y la cuerda sólo se mueve de arriba abajo.

La propagación de un pulso o una perturbación en un medio representa una clase de movimiento muy distinta a la de objetos como pelotas, automóviles u otros cuerpos rígidos que estudiamos anteriormente. Este fenómeno se llama movimiento ondulatorio o propagación ondulatoria. Sin embargo, para saber con qué rapidez se desplaza un pulso o perturbación, sólo tienes que tomar un punto de referencia y medir la distancia y el tiempo que tarda el pulso en recorrerla. Es decir, aplicas lo que ya aprendiste sobre el movimiento lineal con rapidez constante.

En la siguiente figura se representan los elementos del movimiento ondulatorio.

Cuerda Cresta Amplitud

() = Longitud de onda

Nodo

Nodo

Valle () = Longitud de onda

() = Longitud de onda Resorte Amplitud

() = Longitud de onda

La fuente de toda onda es un objeto que vibra. Cada vez que éste regresa a la misma posición se dice que ha transcurrido un ciclo, en la gráfica sería un pulso completo. La frecuencia (f ) es el número de pulsos que pasan por un determinado punto en un cierto tiempo (por lo general un segundo).

La frecuencia se mide en hertz (Hz), en honor a Henrich Hertz, quien demostró la existencia de las ondas de radio en 1886. 1 Hz es un ciclo en un segundo.

Existe una relación inversamente proporcional entre el tiempo que tarda cada pulso y la frecuencia. A este tiempo en que se realiza un ciclo completo se le llama periodo (T). Podemos escribir esta relación en la forma:

T f f T 1 1

Como T es un tiempo, su unidad en el SI es el segundo (s). Puedes ver que:

Hz 1 s

Si conocemos la longitud de onda () que hay entre cada pulso, podemos calcular la rapidez de propagación (v) multiplicando la longitud de onda () por la frecuencia ( f ), es decir: v = f

Si se mide en metros, la velocidad tiene las unidades que le corresponden en el SI. ¿Puedes determinarla? ¿Cuál es?

Con ciencia

1. Frecuencia y tono

El tono es una característica de los sonidos que los clasifica en más agudos o más graves, con base en su frecuencia.

El intervalo de frecuencias audibles para las personas es de 16 a 20 000 Hz aproximadamente. Los tonos graves, o frecuencias bajas, están entre 20 y 300 Hz, medios entre 300 y 2 000 Hz y agudos, que serían las frecuencias altas, entre 2 000 y 20 000 Hz.

Un colibrí aletea 90 veces en un segundo; mientras que los abejorros lo hacen 130 veces, por lo que su zumbido es grave.

Pero los mosquitos aletean ¡600 veces en un segundo!, es decir producen un sonido de 600 Hz, tan agudo y molesto que de seguro algunas noches te ha dejado sin dormir.

Cuando hablas o cantas con sonidos graves haces que tus cuerdas vocales vibren menos, pero cuando intentas sonidos agudos estás haciendo que vibren con rapidez. ■ Investiga si es posible que con un tono muy agudo se pueda romper un cristal (como quizá habrás visto en alguna película).

f = 2 ciclos s

f = 5 ciclos s

() = Longitud de onda

() = Longitud de onda

() = Longitud de onda

() = Longitud de onda

1 segundo

1.21. Dos ondas periódicas con diferentes frecuencias.

Defi nición de ondas transversales y longitudinales

Si se considera la dirección de la perturbación, las ondas se pueden clasificar en longitudinales y transversales: en las ondas longitudinales la dirección de la perturbación es paralela a la propagación de la onda, ejemplos característicos de ellas son el sonido y algunas ondas de un sismo. En contraste, las ondas transversales se producen con una perturbación perpendicular a la propagación de la onda. Las ondas que

¿Sabías...

… cómo cazan los murciélagos?

Los murciélagos son los únicos mamíferos voladores nocturnos que vuelan y cazan utilizando el sonido como medio para ubicar tanto los obstáculos como a sus presas. Los mamíferos marinos, como delfines y ballenas, también usan el sonido para comunicarse entre ellos y nadar a profundidades donde no hay luz solar y poder cazar a sus presas.

1.22. En la Naturaleza hay animales que utilizan el sonido no sólo para comunicarse. generas cuando haces oscilar una cuerda en la dirección perpendicular al movimiento y la luz, que estudiarás con detalle en el Bloque 4, son de tipo transversal. En la página 44 te proponemos el proyecto “Las ondas”, que te permitirá comprender las características del fenómeno ondulatorio a través del trabajo experimental.

Las ondas sonoras requieren un medio para su propagación. Con seguridad has visto películas que muestran batallas en el espacio estelar y durante éstas se escuchan explosiones. Debes saber que sólo se trata de efectos de sonido, pues en el espacio no escucharías ningún sonido producido afuera de tu nave espacial. Fuera de la atmósfera, las partículas están tan separadas que no son capaces de transmitir el sonido. De modo que el sonido no se propaga en el vacío.

La velocidad de propagación del sonido depende del medio en que ocurra: es mayor en los sólidos (5 000 m/s en el acero), mediana en los líquidos (1 440 m/s en el agua) y menor en los gases como nuestra atmósfera (340 m/s en el aire).

Cuando las ondas de sonido encuentran un obstáculo, se presenta el fenómeno de la reflexión, es decir, se regresan. La reflexión es el cambio en la dirección de propagación de la onda. El oído puede distinguir dos sonidos, siempre que estén separados por lo menos una décima de segundo. Este fenómeno se llama eco y es utilizado por el murciélago, el delfín y la ballena para viajar y cazar; pero el ser humano también le ha encontrado una aplicación, por ejemplo, en los submarinos, para poder navegar en las profundidades de mares y océanos, mediante el aparato llamado sonar.

El sonar emite ondas sonoras en el mar, que, al reflejarse en los diferentes obstáculos, permiten detectar objetos en las profundidades marinas. Así se han podido realizar mapas del fondo del mar, localizar restos de naufragios (el Titanic) y de bancos de peces.

Sin embargo, hay lugares donde se requiere pureza de sonido y el eco es indeseable, por ejemplo en salas de concierto, estudios de grabación de discos, cabinas de radiodifusoras o auditorios. Para evitar que se produzca eco, las paredes y techos de esos sitios se recubren con materiales que absorben el sonido, en vez de reflejarlo. Estos materiales pueden ser el corcho, la madera, el cartón o la tela. La próxima vez que asistas al cine o al teatro, observa las paredes.

1.23. El sonar permite que el submarino navegue en las profundidades marinas.

En el Ateneo

1. Produzcamos ondas

Has visto que cualquier objeto que vibra puede ser una fuente de ondas. Lo anterior es cierto, también, si la frecuencia es muy baja. Estas oscilaciones no pueden ser escuchadas, pero tienen las mismas características que las de frecuencias altas y nos permiten estudiar las ondas con facilidad.

Para que veas cómo produce una onda un péndulo que oscila, realiza la siguiente actividad, donde tu mano hará el movimiento de un péndulo al ritmo de la música que escoja el grupo. ■ Forma equipos de tres compañeros (asignen el número 1 a quien traza sobre el papel, el 2 a quien mide el tiempo, y el 3 a quien mueve la hoja) como se muestra en la figura 1.24. ■ Alternen sus funciones para que todos puedan trazar en el papel.

Necesitas

1 marcador 1 cronómetro Hojas de papel tamaño oficio

Procedimiento

■ Pon música y coloca una hoja de papel para trabajar. ■ El compañero o compañera 2 dará la instrucción para empezar a mover el papel y medirá el tiempo con el cronómetro. El compañero 3 se encargará de mover el papel mientras tú marcas sobre éste. ■ A la señal del compañero 2, comienza a deslizar tu marcador de un punto a otro sobre el papel, siguiendo el ritmo de la música. El compañero 3 también empezará a mover el papel a velocidad constante, y en forma perpendicular a la oscilación de tu mano.

Es importante que mantengas el mismo ritmo en la mano mientras la hoja se mueve. ■ En el momento en que el compañero 3 deslice totalmente la hoja y ya no puedas pintar sobre ella, el compañero 2 debe detener el cronómetro. ■ Realiza varias pruebas para que logres mover el marcador de un lado a otro de la hoja, antes de que tu compañero la retire por completo. • ¿Qué se dibujó en la hoja? ■ Y si tu compañero jalara más rápido la hoja, ¿qué pasaría? Hazlo.

Compañero 2

Compañero 1 Compañero 3

1.24. Cuida que la tinta del marcador no esté seca y se deslice sobre el papel.

■ Lleva a cabo la actividad con otra música, pero pide a tus compañeros que mantengan la misma velocidad al jalar la hoja. • ¿Qué se dibuja en el papel? ¿Era lo que esperabas? ¿Por qué? ■ Para determinar el periodo de tu onda, mide el tiempo de un pulso completo con un cronómetro. ■ Mide la longitud de onda y la amplitud, usando los dibujos del péndulo. ■ Calcula la frecuencia. ■ Compara tus datos con la información que tienes acerca de las frecuencias que puede escuchar el oído humano. • ¿Hay posibilidad de que sea escuchado? ¿Por qué? ¿Por qué sí escuchas la música?

Otro fenómeno que quizá has observado es que el sonido se escucha distinto cuando llega directo a nuestros oídos, que a través del cristal de una ventana. Esto se debe a que las ondas sonoras tienen que atravesar diferentes medios para llegar a nosotros: el aire, el cristal y de nuevo el aire. Cuando pasan de un medio de diferente densidad a otro, se produce el fenómeno de la refracción, que es la modificación en la dirección y velocidad de una onda, al cambiar el medio en el que se propaga. Esto se debe a la diferente velocidad de propagación de cada medio, lo que hace que se distorsione y no lo percibamos igual que cuando se propaga por el mismo medio.

La luz también es una onda y aunque cumple con todas las características que se han mencionado (posee amplitud, frecuencia, se refleja y refracta como el sonido), tiene muchas diferencias con éste. Es además una onda transversal, pero también la forma en que se origina y se transporta son distintas. Su rapidez aproximada es de 300 000 km/s y no requiere ningún medio para poder ir de un lugar a otro, por lo que sí puede viajar en el vacío.

La diferencia en las velocidades de estas ondas produce muchos efectos que tú has observado, como cuando ves el relámpago y luego escuchas el trueno. En el Bloque 4 conocerás más propiedades de la luz.

¿Qué aprendí en esta lección?

La fuente de toda onda es un objeto que vibra.

En el movimiento ondulatorio, lo que se desplaza es un pulso o una series de pulsos. La materia, después de oscilar, permanece en su lugar, la onda sigue trasladándose.

La frecuencia ( f ) es la cantidad de pulsos que pasan por un punto en un tiempo determinado.

El periodo (T) es el tiempo en el que se completa un ciclo. Su relación es: T f f T 1 1

Las unidades de f son Hz y las de T es s, de donde:

Hz 1 s

La velocidad (v) con la que se desplaza una onda es: v = f

Con la longitud de onda (), medida en metros y la frecuencia en 1/s, entonces: v m s

Las ondas se reflejan y se refractan. El eco es producido por la reflexión del sonido.

La luz y el sonido son ondas que tienen características semejantes y diferentes.