Principios de las Ondas y el Movimiento Armónico Simple en Física

Ondas

Una onda es una transmisión de perturbaciones de un punto a otro del espacio sin transporte de materia.

Movimiento Periódico

El movimiento periódico es aquel en el que un cuerpo se mueve de un lado a otro sobre una trayectoria fija, y en el que el periodo de tiempo empleado en cada ciclo o revolución es siempre el mismo. El movimiento periódico se subdivide en los siguientes movimientos:

• Movimiento circular uniforme: Es el movimiento uniforme de un punto cuya trayectoria es una circunferencia.
• Movimiento vibratorio: Es el movimiento rápido de un punto material a uno y otro lado de su posición de equilibrio, en virtud de la elasticidad y de la inercia (ciclo).
• Movimiento pendular: Es el movimiento lento de una masa suspendida en un hilo, a uno y otro lado de su posición de equilibrio, en virtud de la acción de la gravedad.
• Movimiento ondulatorio: Es un movimiento vibratorio transmitido sucesiva y gradualmente mediante las vibraciones de una partícula a las demás del medio.
• Movimiento oscilatorio: Es el movimiento que realiza un cuerpo a uno y otro lado de su posición de equilibrio en virtud de la acción de la gravedad.

Movimiento Armónico Simple (M.A.S.)

El Movimiento Armónico Simple (M.A.S.), también denominado Movimiento Vibratorio Armónico Simple (M.V.A.S.), es un movimiento periódico de vaivén en el que un cuerpo oscila de un lado a otro de su posición de equilibrio y en intervalos de tiempo iguales. Al cuerpo que describe este movimiento se le conoce como oscilador armónico.

Elementos y Características de una Onda

Para describir un movimiento oscilatorio es necesario tener en cuenta los siguientes factores y características del M.A.S. o de una onda:

• Vibración, oscilación o ciclo: Distancia recorrida por la partícula en un movimiento completo de vaivén.
• Periodo: Tiempo empleado por una partícula en efectuar una oscilación completa. Se expresa con la letra (T) y se mide en segundos (s).
• Frecuencia: Número de oscilaciones efectuadas en la unidad de tiempo. Es la inversa del periodo y se mide en Hertz (Hz).
• Elongación: Es la posición que ocupa un objeto respecto de su posición de equilibrio.
• Amplitud: Valor máximo de la elongación. Se representa con la letra (A) y se mide en metros (m).
• Centro de oscilación: Punto medio de la distancia que separa las dos posiciones extremas alcanzadas por la partícula móvil.
• Pulsación, frecuencia o velocidad angular: Número de periodos comprendidos entre 2π unidades de tiempo.
• Posición de equilibrio: Es la posición en la cual no actúa ninguna fuerza neta sobre la partícula oscilante.
• Longitud de onda: Es la distancia existente entre dos crestas o dos valles consecutivos. Es la distancia que se propaga la onda en un periodo. Se representa con la letra (λ o l) y se mide en metros (m).
• Rapidez de la onda: Es la distancia recorrida por la perturbación por unidad de tiempo.
  • La velocidad de propagación es la velocidad con la que se desplaza la perturbación por el medio. Depende de la elasticidad y de la rigidez del mismo.
• Cresta: Es la parte más alta de la onda.
• Valle: Depresión de la onda; es la parte más baja.

Energía en los Sistemas Oscilantes

En el movimiento armónico simple, la energía mecánica se conserva al transformarse la energía potencial en cinética y viceversa. Un péndulo simple es una masa puntual (m) suspendida verticalmente mediante una cuerda o hilo inextensible de masa despreciable y longitud (l).

Un movimiento oscilatorio es amortiguado si la energía mecánica de su movimiento disminuye gradualmente. El amortiguamiento corresponde, en general, a la resistencia del aire y a la fricción interna del sistema de oscilación. La amortiguación de un sistema se puede presentar en tres formas diferentes: sobreamortiguación, subamortiguación y amortiguamiento crítico. Llamamos oscilaciones forzadas a las producidas en un sistema oscilante debido a la energía suministrada desde el exterior; dicho sistema es un oscilador forzado.

Movimiento Ondulatorio

El movimiento ondulatorio es el proceso por el que se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. Las ondas pueden clasificarse según diferentes criterios:

1. Según el medio de propagación

• Ondas mecánicas: Son las que se propagan por medios materiales, como una cuerda, el aire, las ondas sísmicas, las ondas sonoras y las olas del mar.
• Ondas electromagnéticas: No necesitan un medio material para desplazarse. Ejemplos: ondas de radio, TV, ultravioletas, rayos infrarrojos del Sol, rayos X, la luz, microondas, rayos UVA, WIFI y Bluetooth.
  • Espectro electromagnético: Es la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Se extiende desde la radiación de menor longitud de onda (rayos gamma y rayos X), pasando por la luz visible, hasta las de mayor longitud (ondas de radio).

2. Según la periodicidad de la fuente

• Ondas periódicas: Se producen de manera constante; se repite la misma onda en el mismo tiempo. Ejemplo: ondas de luz y ondas gravitacionales.
  • Ondas armónicas: Ocurren cuando el movimiento de la perturbación es armónico simple y no existe amortiguamiento.
• Ondas no periódicas: No se repiten de igual forma en el mismo tiempo. Ejemplo: ondas del mar y ondas de un electrocardiograma.

3. Según la dirección del movimiento de las partículas

• Ondas longitudinales: La dirección de propagación coincide con la de oscilación. Ejemplo: un resorte.
• Ondas transversales: La dirección de propagación es perpendicular a la de oscilación. Ejemplo: una onda en una cuerda.

4. Según el sentido de propagación

• Ondas viajeras: Se propagan en un sentido único. Ejemplo: la luz del sol o las antenas de radio.
• Ondas estacionarias: Viajan en ambos sentidos. Ejemplo: instrumentos de cuerda, viento y percusión.

Función de una Onda

Es una expresión que permite obtener la posición (y) de una partícula del medio con respecto a su posición de equilibrio (x) para cualquier instante de tiempo (t).

Principio de Superposición de Ondas

El principio de superposición establece que cuando dos o más ondas existen simultáneamente en el mismo medio, el desplazamiento resultante en cualquier punto es la suma algebraica de los desplazamientos de cada onda individual.

Ondas Sonoras

Las ondas sonoras son vibraciones mecánicas que, al propagarse e interactuar con el oído, son percibidas por las personas. Son ondas mecánicas y longitudinales. Pueden considerarse como ondas de desplazamiento o de presión. Sus efectos principales son:

• Eco: Repetición de un sonido debido a la reflexión.
• Reverberación: Permanencia del sonido en un espacio cerrado tras cesar la fuente original.
• Resonancia: Ocurre cuando un cuerpo vibra y emite ondas que alcanzan a otro cuerpo con su misma frecuencia, haciéndolo vibrar también.

El Sonido y sus Cualidades

El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga por un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso). Sus cualidades son:

• Tono o Altura: Identifica sonidos agudos (frecuencias altas) y graves (frecuencias bajas).
• Intensidad: Energía que transporta una onda por unidad de tiempo y área; es proporcional al cuadrado de su amplitud.
  • Potencia sonora: Energía emitida por el foco sonoro en un segundo.
  • Intensidad sonora: Potencia transferida a través de la unidad de área normal a la dirección de propagación.
• Timbre: Cualidad que permite identificar el foco o fuente que emite el sonido.

La onda de mayor amplitud se denomina onda predominante. En 1822, Joseph Fourier descubrió que todo movimiento periódico complejo puede descomponerse en senoides sencillas (señales con forma de función seno o coseno) de distintas amplitudes y frecuencias.

Efecto Doppler

El efecto Doppler se refiere al cambio aparente en la frecuencia de una fuente de sonido cuando hay movimiento relativo entre la fuente y el oyente. Si el emisor se acerca al receptor, la longitud de onda disminuye y la frecuencia aumenta. Si se alejan, la longitud de onda aumenta y la frecuencia disminuye.