Conceptos Esenciales de Ondas y Sonido en Física: Propiedades y Fenómenos

Conceptos Fundamentales de Ondas

Definiciones Clave

• Onda: Perturbación que provoca un transporte de energía sin que exista un transporte de materia.
• Movimiento Ondulatorio: Propagación de un movimiento vibratorio a través de un medio.

Clasificación de las Ondas

Las ondas se pueden clasificar según:

• Dimensiones de propagación:
  • Ondas Unidimensionales
  • Ondas Bidimensionales
  • Ondas Tridimensionales
• Dirección de vibración de las partículas con respecto a la dirección de propagación de la onda:
  • Ondas Longitudinales
  • Ondas Transversales
• El medio en el que se propagan:
  • Ondas Mecánicas
  • Ondas Electromagnéticas

Magnitudes que Caracterizan a una Onda

• Amplitud (A): Distancia máxima que una partícula del medio se desplaza de su posición de equilibrio.
• Elongación (x, y): Distancia a la que se encuentra una partícula del medio de su posición de equilibrio.
• Longitud de Onda (λ): Distancia mínima entre dos puntos de una onda que se encuentran en el mismo estado de vibración.
• Periodo (T): Tiempo que tarda un punto del medio en completar una vibración o el tiempo que tarda una onda en recorrer una longitud de onda.
• Frecuencia (f): Número de vibraciones por segundo (Hz). Se calcula como F = 1/T.
• Velocidad de Propagación (V): Velocidad a la que se propaga la onda. Se calcula como V = λ/T = λ * f (m/s).
• Frecuencia Angular (ω): Se calcula como ω = (2π)/T = 2π * f (rad/s).
• Número de Onda (k): Se calcula como k = (2π)/λ (rad/m).

Propiedades y Fenómenos Ondulatorios

Energía e Intensidad de las Ondas

• Potencia de una Onda: Energía que transporta por unidad de tiempo.
• Intensidad de la Onda: Es la potencia por unidad de la magnitud que define el frente de onda.
  • Onda Unidimensional: I = P
  • Onda Bidimensional: I = P/L
  • Onda Tridimensional: I = P/S
• Atenuación: Es la disminución que experimenta la intensidad de una onda bi o tridimensional que se propaga en un medio. Se produce incluso en situaciones ideales y depende de las características de la onda.
• Absorción: Es la disminución que experimenta la intensidad de una onda de cualquier tipo que se propaga en un medio. Se produce en situaciones reales y depende de las características del medio.
• Espesor de Semiabsorción: Es el espesor que debe tener el material para que la perturbación reduzca su intensidad a la mitad.

Fenómenos Ondulatorios Fundamentales

• Principio de Huygens: Las ondas avanzan de tal forma que cada punto de un frente de ondas se convierte en un foco emisor de una onda de las mismas características.
• Reflexión: Se produce cuando una onda choca con la superficie que separa dos medios distintos y retrocede avanzando por el mismo.

  Leyes de la Reflexión:

  • El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
  • El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
• Refracción: Se produce cuando una onda llega a la superficie que separa dos medios distintos y avanza por el segundo medio.

  Leyes de la Refracción:

  • El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
  • Cuando el rayo incidente se propaga a mayor velocidad que el rayo refractado, el ángulo de incidencia (i) es mayor que el ángulo de refracción (s).

Ondas Estacionarias y Sonido

• Onda Estacionaria: Se producen cuando se superponen dos ondas idénticas que se propagan por el mismo medio con sentidos opuestos y con oposición de fase.
• Sonido: Perturbación que aparece cuando se hacen vibrar las partículas de un medio elástico de forma que se produzcan variaciones en su densidad o presión, propagándose por el medio en forma de ondas.
• Efecto Doppler: Cambio que tiene lugar en la frecuencia y longitud de una onda como consecuencia del movimiento del emisor, del receptor o de ambos elementos.

Cualidades del Sonido

• Tono: Es la cualidad que permite distinguir los sonidos agudos de los graves, relacionado con la frecuencia. Los sonidos agudos son de frecuencias altas y los graves son de frecuencias bajas.
• Intensidad Sonora: Cualidad que permite identificar al sonido como fuerte o débil, relacionada con la amplitud de onda. Los sonidos fuertes tienen amplitudes altas y los débiles tienen amplitudes bajas.
• Nivel de Intensidad Sonora: Se calcula como β = 10 * log(I/I₀).
• Timbre: Característica que permite distinguir sonidos de la misma frecuencia y la misma amplitud producidos por instrumentos diferentes. Está relacionada con la forma de las ondas emitidas.