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ONDAS
Una onda es una perturbación que se produce en un
medio y se propaga al transcurrir el tiempo. El medio perturbado puede ser, por ejemplo: el aire, el agua, un pedazo de metal, el espacio, etc. La propiedad esencial del movimiento de una onda es que no implica un transporte de materia de un punto a otro. El movimiento de una onda (movimiento ondulatorio) supone únicamente un transporte de energía y de cantidad de movimiento. La propiedad del medio en la que se observa la particularidad se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo, así: (r, t ) Matemáticamente se dice que dicha función es una onda si verifica la siguiente ecuación de ondas: 1 2 (r , t ) (r , t ) 2 2
v 2t Donde: v es la velocidad de propagación de la onda.
CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS
Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos: A) En función del medio en que se propagan: 1.- Ondas mecánicas.- Estas ondas necesitan un medio natural ó elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Se basan en la elasticidad de la materia. Ejemplo: a) Una alfombra cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. b) Las ondas elásticas. c) Las ondas sonoras. 2.- Ondas electromagnéticas.- Se propagan por el espacio sin necesidad de un medio pudiendo, por tanto, propagarse en el vació. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado. Ejemplo: A) El calor del Sol. B) Las ondas de radio y televisión. http://www.walter-fendt.de/ph11s/emwave_s.htm
2.- Ondas gravitacionales.- Son perturbaciones que alteran
la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el espacio, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo.
B) En función de su propagación: 1.- Ondas unidimensionales.- Las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio. Ejemplo: Las ondas en las cuerdas. Si las ondas se propagan en una única dirección, sus frentes de onda son planos y paralelos. Recordar que, una onda es una línea curva unidimensional en la que el sonido es el más característico. 2.- Ondas bidimensionales ó superficiales.- Son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Ejemplo: Las ondas que se producen en la superficie de un tanque de agua cuando se deja caer una piedra. http://www.maloka.org/f2000/waves_particles/waves.html
3.- Ondas tridimensionales ó esféricas.- Son ondas que se
propagan en tres dimensiones. Se conoce también como ondas esféricas porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. Ejemplo: A) El sonido. B) Las ondas electromagnéticas. http://www.maloka.org/f2000/waves_particles/index.html
C) En función de la dirección de propagación:
1.- Ondas longitudinales.- Son aquellas en las cuales las partículas vibran en la misma dirección de propagación de la onda. Por ejemplo: 2.- Ondas transversales.- Son aquellas ondas en las cuales la dirección de propagación es perpendicular a la dirección de vibración. http://www.ehu.es/acustica/bachillerato/ontres/ontres.html
http://newton.cnice.mec.es/4eso/ondas/ondas-olas2.htm?1&2 D) En función de su periodicidad: 1.- Ondas periódicas.- Son aquellas ondas donde la perturbación local se origina en ciclos repetitivos. Por ejemplo una onda senoidal. 2.- Ondas no periódicas.- Son aquellas ondas donde la perturbación que las origina se da aisladamente ó en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas se denominan también pulsos.
ELEMENTOS DE UNA ONDA
Los elementos de una onda son: CRESTA.- Es la parte más elevada de una onda. VALLE.- Es la parte más baja de la onda. ELONGACIÒN.- Es el desplazamiento entre la posición de equilibrio y la posición en un instante determinado. AMPLITUD.- Es la máxima elongación, es decir, el desplazamiento desde el punto de equilibrio hasta la cresta o valle. LONGITUD DE ONDA.- Es la distancia comprendida entre dos crestas o valle. PERIODO (T).- Es el tiempo transcurrido para que se realice una onda completa. FRECUENCIA (f).- Es el número de ondas que se suceden en una unidad de tiempo.
Una de las propiedades más interesantes de las ondas es
que cuando dos ondas pasan, una a través de la otra, sus amplitudes se suman. Éste fenómeno se llama: INTERFERENCIA. Las propiedades de las ondas son la clave para entender el comportamiento de las partículas.
Imagine una fuente de luz, bloqueada por una
hoja de metal que tiene dos orificios. A pocos metros hay una pantalla. Sobre un punto cualquiera de la pantalla, hay dos ondas de luz impactándola (cada una corresponde a la luz que pasó a través de cada orificio). Estas dos ondas de luz viajan distancias diferentes hasta alcanzar la pantalla, e interfieren una con otra, creando un patrón de interferencia.
Resulta que si Usted repite el mismo experimento usando un haz de partículas, en lugar de una fuente luminosa, Usted registrará un patrón de interferencia similar. Ésto significa que las partículas tienen propiedades de onda. Por ejemplo, aquí hay un patrón de interferencia real producido por la dispersión de un haz de electrones que atraviesan una lámina de oro:
Parece muy extraño que las que pensamos, eran partículas materiales, sólidas, son iguales a una onda, debido a que las partículas materiales tienen frecuencia, longitud de onda, y pueden interferir entre sí. Es importante notar que la longitud de onda de las partículas subatómicas, no se debe a que haya partículas "moviéndose" a su alrededor. Por ejemplo, una partícula de luz (el fotón) es una onda debido a que la fase de su campo electromagnético cambia de signo. Fenómenos ondulatorios
Son los efectos y propiedades exhibidas por las entidades
físicas que se propagan en forma de onda:
Difracción - Ocurre cuando una onda al topar con el borde
de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo.
Efecto Doppler - Efecto debido al movimiento relativo
entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas.
Interferencia - Ocurre cuando dos ondas se combinan al
encontrase en el mismo punto del espacio.
Reflexión - Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un
nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección.
Refracción - Ocurre cuando una onda cambia de dirección
al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad.
Onda de choque - Ocurre cuando varias ondas que viajan
en un medio se superponen formando un cono.
Fórmula de la longitud de onda
Las ondas se mueven con movimiento uniforme, de tal forma que: La distancia que recorre una onda (representado por X) será el número de veces que tenemos la longitud de una onda:
donde n= número de ondas y es la longitud de una onda.
Si sustituimos la segunda fórmula en la primera nos queda:
Sin embargo, sabemos que la frecuencia es el número de ondas entre el
tiempo:
Al sustituir en la fórmula 3, nos da:
Así pues la velocidad de una onda es el producto de la longitud de
onda y de la frecuencia.
Unidades de longitud de onda y de frecuencia
La longitud de onda se mide en metros (m) en el sistema MKS o Sistema Internacional, en el sistema cgs se mide en centímetros (cm), también se usa la micra (µ) sobre todo para longitudes de onda como la de la luz.
La frecuencia se mide en Hertz su abreviación es el Hz y representa
Se usa mucho el Kilohertz (KHz) que son mil Hertz y el Megahertz (MHz) o un millón de hertz.
Cargas aceleradas producen ondas electromagnét icas. Durante la propagación de la onda, el campo eléctrico (rayas rojas) oscila en un eje perpendicular a la dirección de propagación. El campo magnético (rayas azules) también oscila pero en dirección perpendicular al campo eléctrico.
La naturaleza de las ondas electromagnéticas consiste en la propiedad
que tienen el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambian en el tiempo. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio. La cantidad de energía transportada por una onda electromagnética depende de su frecuencia (o longitud de onda): entre mayor su frecuencia mayor es la energía:
W = h f,
donde W es la energía, h es una constante (la constante de Plank) y f es
la frecuencia.
El plano de oscilación del campo eléctrico (rayas rojas en el diagrama
superior) define la dirección de polarización de la onda. Se dice que una fuente de luz produce luz polarizada cuando la radiación emitida viene con el campo eléctrico alineado preferencialmente en una dirección.
Ejemplos de ondas electromagnéticas son:
1. Las señales de radio y televisión
2. Ondas de radio provenientes de la Galaxia 3. Microondas generadas en los hornos microondas 4. Radiación Infrarroja provenientes de cuerpos a temperatura ambiente 5. La luz 6. La radiación Ultravioleta proveniente del Sol, de la cual la crema antisolar nos preteje la piel 7. Los Rayos X usados para tomar radiografías del cuerpo humano 8. La radiación Gama producida por núcleos radioactivos
ONDAS ELECTROMAGNETICAS Son ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de: Frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas) hasta Frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas).
La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro
electromagnético. Por orden creciente de longitudes de onda (orden decreciente de frecuencias), se ha confeccionado una escala denominada espectro longitud de onda ( ) puede ser desde miles de metros hasta 0,3 m aproximadamente en el caso de las ondas de radio; desde allí hasta 1 mm las micro ondas; desde él milímetro hasta los 780 mm tenemos a los rayos infrarrojos. La luz visible es una franja estrecha que va desde los 780 mm hasta los 380 mm. La luz ultra violeta se encuentra entre los 3,8 10- 7 m y los 10-9m (entramos en la medida de los nanómetros). Los rayos x se ubican entre 10-9m y 10-11m. Los rayos gamma están entre los 10-11 m y 10-17m. La m que es una millonésima de milímetro. 10 - 9 m = 1 nm Onda Rayos Onda Radi Radi Microonda Infrarrojo Ultraviolet Rayo Cort Gamm s o AM o FM s s a sx a a
Propiedades: Las ondas electromagnéticas no necesitan
un medio material para propagarse; pueden atravesar el espacio desplazandose en el vacío a una velocidad aproximada de 300.000 km/s a la que se denomina con la letra c. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda ( ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión · f = c, son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características
En función de su propagación o frente de onda [editar]
¿Cuál es la naturaleza de la luz? Algunas veces la luz se manifiesta como onda. Otras veces se manifiesta como partícula. Todo depende de las circunstancias.
LA LUZ COMO ONDA
Sabemos que la luz se comporta como onda cuando
se produce los efectos de interferencia y difracción. Esto ocurre, por ejemplo, cuando dos ondas se encuentran en el mismo lugar y como resultado se anulan en unas partes y se refuerzan en otras, formando así un patrón característico de interferencia. En la luz, la longitud de onda determina el color de la luz (por ejemplo la longitud de onda correspondiente al color verde es de 550 nanómetros)
El Espectro Óptico La luz blanca está compuesta de ondas de diversas frecuencias. Cuando un rayo de luz blanca pasa por un prisma se separa en sus componentes de acuerdo a la longitud de onda La descomposición de la luz blanca en los diferentes colores que la componen, data del siglo XVIII, debido al físico, astrónomo y matemático Isaac Newton. La luz blanca se descompone en estos colores principales: *) Rojo, el color que sufre la menor desviación. *) Anaranjado. *) Amarrillo. *) Verde. *) Azul. *) Añil. *) Violeta, el color que sufre la mayor desviación.
Colores de la luz blanca
Longitud de onda ( ) en nm
Rojo 627 – 770 (ondas de menor energía)
Naranja 589 – 627 Amarillo 566 – 589 Verde 495 – 566 Azul 436 – 495 Violeta 380 – 436 (ondas de mayor energía) EL FOTÓN: LA LUZ COMO PARTÍCULA A muy altas energías, por ejemplo cuando la luz puede interactuar con un átomo se observan comportamientos muy diferentes. La luz se comporta como una partícula golpeando electrones fuera del átomo. A esta partícula elemental se le llama fotón.
El fotón se puede entender como un paquete de energía electromagnética, o
luz. Éste fue propuesto por Albert Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico (cuando la luz golpea con un electrón de un átomo y lo saca fuera del átomo).
El Principio de Huygens El principio de Huygens es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas. Afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden. Esta visión de la propagación de las ondas ayuda a entender mejor una variedad de fenómenos de onda, tales como la difracción. La Ley de Snell también puede ser explicada según este principio.
Por ejemplo, si dos sitios están conectados por una puerta abierta y se produce un sonido en una esquina lejana de uno de ellos, una persona en el otro cuarto oirá el sonido como si se originara en el umbral. Por lo que se refiere el segundo cuarto, el aire que vibra en el umbral es la fuente del sonido. Lo mismo ocurre para la luz al pasar el borde de un obstáculo, pero esto no es fácilmente observable debido a la corta longitud de onda de la luz visible. La interferencia de la luz de áreas con distancias variables del frente de onda móvil explica los máximos y los mínimos observables como franjas de difracción. Ver, por ejemplo, el experimento de la doble rendija.
