Conceptos Esenciales de Ondas y Vibraciones: Física Fundamental

Introducción a las Ondas y Oscilaciones

La única variable en ciertos sistemas oscilatorios es la longitud. Estos sistemas producen dos tipos de energía: cinética y potencial.

Al rozar el aire, un objeto le entrega energía a este medio y, consecuentemente, va perdiendo energía.

Conceptos Fundamentales de Oscilación

• Cuando un objeto pasa por su posición inicial, ha completado un ciclo.
• Un ciclo recorre cuatro amplitudes. (Si el periodo es de un segundo, la frecuencia es de 1 Hz).

Variables Clave en Ondas y Oscilaciones

• Periodo (T): Es el tiempo que se demora en completar un ciclo.
• Frecuencia (f): Son los ciclos realizados en un tiempo determinado (generalmente en un segundo).
• El periodo (T) y la frecuencia (f) son inversamente proporcionales (aumentan y disminuyen en la misma proporción).
• Las relaciones fundamentales son: T × F = 1, T = 1/F, F = 1/T.

Al graficar, la variable independiente va en el eje horizontal (abscisas) y la dependiente en el eje vertical (ordenadas).

Es importante destacar que, para un péndulo simple o un sistema masa-resorte ideal, la masa no afecta al periodo, y la amplitud tampoco (para pequeñas oscilaciones en el caso del péndulo).

Para calcular el periodo de un péndulo simple, la fórmula es: T = 2π√(L/g), donde L es la longitud del péndulo y g es la gravedad terrestre (aproximadamente 9,8 m/s²).

Características de las Ondas

Definición de Pulso y Onda

• Pulso: Una sola perturbación que viaja por un medio material.
• Una onda está formada por una serie de pulsos consecutivos.

La onda no traslada materia, sino que lo que se traslada es la energía cinética de la vibración.

Una oscilación es una vibración periódica.

Revoluciones por Minuto (r.p.m.)

Las r.p.m. (revoluciones por minuto) indican cuántos ciclos se completan en un minuto (60 segundos).

• Para pasar de Hz a r.p.m.: Hz × 60
• Para pasar de r.p.m. a Hz: r.p.m. / 60

Longitud de Onda y Velocidad

La longitud de onda (λ, lambda) es la distancia entre dos puntos consecutivos del medio que están en fase, es decir, sometidos al mismo estado de perturbación. Cada onda tiene una longitud de onda característica.

Las relaciones fundamentales de movimiento son:

• Velocidad = Distancia / Tiempo
• Tiempo = Distancia / Velocidad
• Distancia = Velocidad × Tiempo

Las unidades estándar para estas mediciones son metros por segundo (m/s).

La velocidad de una onda se calcula como: Velocidad de onda (v) = Longitud de onda (λ) × Frecuencia (f).

Tipos de Ondas

Las ondas se clasifican en mecánicas o electromagnéticas según el medio de propagación.

También, según la dirección de vibración de las partículas respecto a la propagación, pueden ser transversales o longitudinales.

Ondas Transversales

En las ondas transversales, las partículas del medio vibran de forma perpendicular a la dirección en que la onda se propaga.

Ondas Longitudinales

En una onda longitudinal, las partículas vibran de forma paralela a la dirección en que la onda se propaga.

El Sonido como Onda

Naturaleza del Sonido

Las ondas de sonido están compuestas por zonas de descompresión y compresión.

El oído humano percibe sonidos en un rango de frecuencia que va desde los 20 Hz hasta los 20.000 Hz. Frecuencias por debajo de 20 Hz se denominan infrasonidos, y por encima de 20.000 Hz, ultrasonidos.

Intensidad Sonora (Decibeles)

Los decibeles (dB) miden la intensidad o energía del sonido, y su escala es logarítmica (aumenta en potencias de 10).

La intensidad de una onda cualquiera se relaciona con el cuadrado de su amplitud.

Velocidad del Sonido

La velocidad del sonido en el aire es aproximadamente 340 m/s, dependiendo de la humedad y la temperatura. En el agua, es de aproximadamente 1.500 m/s.

La velocidad del sonido en el aire (en m/s) se puede aproximar con la fórmula: Velocidad del sonido = 331 + 0,6 × Temperatura (en grados Celsius).

La velocidad del sonido no aumenta de forma directamente proporcional con la temperatura.