Tipos de movimientos ondulatorios
El sonido de una guitarra, la luz de una pantalla, las olas de Viña del Mar y el temblor de un sismo son movimientos ondulatorios, pero no se parecen a simple vista. Si los clasificas según qué necesitan para propagarse y cómo vibra el medio, entenderás por qué el sonido no viaja por el vacío, por qué un tsunami en mar abierto casi no se nota y por qué una cuerda de guitarra solo suena en ciertas frecuencias.
Según el medio: mecánicas y electromagnéticas
Si pones un timbre sonando dentro de una campana de vidrio y sacas el aire con una bomba de vacío, sigues viendo el martillo golpear pero el sonido deja de oírse. ¿Por qué la luz atraviesa el vacío sin problema y el sonido necesita materia para viajar?
Clasifica las siguientes ondas en mecánicas o electromagnéticas y explica el criterio que utilizaste: a) El sonido emitido por un parlante. b) La luz de un faro. c) Las…
Clasifica las siguientes ondas en mecánicas o electromagnéticas y explica el criterio que utilizaste:
- a) El sonido emitido por un parlante.
- b) La luz de un faro.
- c) Las microondas de un horno.
- d) Las olas del mar.
- e) Las ondas sísmicas de un terremoto.
En muchas películas de ciencia ficción se oyen estruendosas explosiones de naves en el espacio exterior. a) Razona, a partir de la naturaleza del sonido, por qué en el…
En muchas películas de ciencia ficción se oyen estruendosas explosiones de naves en el espacio exterior.
- a) Razona, a partir de la naturaleza del sonido, por qué en el vacío del espacio no podría oírse ninguna explosión.
- b) Explica cómo se comunican por voz los astronautas con el control de misión y qué tipo de onda se emplea para ello.
Qué transporta una onda
Cuando llega un tren de olas a un lago, un corcho flotando sube y baja, pero no avanza con ellas. Si la onda no arrastra el agua, ¿qué es lo que viaja?
Cuando el corcho sube, empuja al agua vecina y la hace subir un instante después; así la perturbación recorre el estanque sin que el agua se desplace horizontalmente con ella.
Una cuerda agitada por un extremo con movimiento armónico simple (MAS) genera una onda armónica: cada punto de la cuerda repite el mismo MAS que el extremo, con la misma frecuencia y amplitud, pero con un pequeño retraso que crece con la distancia.
El extremo de una cuerda se hace oscilar verticalmente con un movimiento armónico simple. a) Explica por qué la onda que se genera en la cuerda recibe el nombre de onda…
El extremo de una cuerda se hace oscilar verticalmente con un movimiento armónico simple.
- a) Explica por qué la onda que se genera en la cuerda recibe el nombre de onda armónica.
- b) Describe la relación que existe entre el movimiento de cada punto de la cuerda y el movimiento del extremo que se agita.
Un corcho flota en la superficie de un estanque cuando llega un tren de olas: el corcho sube y baja, pero no avanza con las olas, como se muestra en la figura. a)…
Un corcho flota en la superficie de un estanque cuando llega un tren de olas: el corcho sube y baja, pero no avanza con las olas, como se muestra en la figura.
- a) Razona, a partir de esta observación, qué es lo que transporta una onda y qué es lo que no transporta.
- b) Explica cómo llega entonces la perturbación a grandes distancias sin que el agua experimente un desplazamiento horizontal neto con ella.
Según la vibración: transversales y longitudinales
Esa diferencia de rapidez es la base del trabajo de los sismólogos, como los del Centro Sismológico Nacional (CSN) de la Universidad de Chile: primero llegan las P y después las S, y el retraso entre ambas dice qué tan lejos fue el sismo. Además, cuando una onda cambia de rapidez al pasar de una capa a otra, su trayectoria se curva (refracción): por eso las P se desvían al entrar en el núcleo.
Con una sola estación sabes a qué distancia fue el sismo, pero no en qué dirección: el epicentro puede estar en cualquier punto de una circunferencia de radio $d$. Para ubicarlo se combinan los datos de varias estaciones; eso lo verás en el apartado de parámetros de un sismo.
Explica la diferencia entre una onda transversal y una onda longitudinal, indicando cómo oscila el medio en cada caso respecto a la dirección en que avanza la…
Explica la diferencia entre una onda transversal y una onda longitudinal, indicando cómo oscila el medio en cada caso respecto a la dirección en que avanza la perturbación, y da un ejemplo real de cada tipo.
Las ondas sísmicas P son longitudinales y las ondas sísmicas S son transversales. a) Explica qué significa cada una de estas afirmaciones, describiendo cómo se mueve el…
Las ondas sísmicas P son longitudinales y las ondas sísmicas S son transversales.
- a) Explica qué significa cada una de estas afirmaciones, describiendo cómo se mueve el terreno al paso de cada tipo de onda.
- b) Razona cuál de los dos tipos no puede propagarse a través de las capas fluidas del interior de la Tierra y por qué.
Una estación de vigilancia sísmica se encuentra a $300\ \text{km}$ del epicentro de un terremoto. Las ondas P viajan por esa zona a $7,5\ \text{km/s}$ y las ondas S a…
Una estación de vigilancia sísmica se encuentra a $300\ \text{km}$ del epicentro de un terremoto. Las ondas P viajan por esa zona a $7,5\ \text{km/s}$ y las ondas S a $4\ \text{km/s}$.
- a) Calcula el tiempo que tarda en llegar a la estación cada tipo de onda.
- b) Calcula la diferencia de tiempo entre ambas llegadas.
- c) Explica por qué esa diferencia de tiempos permite estimar la distancia al epicentro.
Tras un gran terremoto, las estaciones situadas al otro lado del planeta, a más de unos 103° del epicentro, no registran ondas S. Las ondas P tampoco llegan directamente…
Tras un gran terremoto, las estaciones situadas al otro lado del planeta, a más de unos 103° del epicentro, no registran ondas S. Las ondas P tampoco llegan directamente a una franja intermedia, la llamada «zona de sombra» (aproximadamente entre 103° y 143°), aunque reaparecen más lejos tras atravesar el núcleo con trayectorias curvadas. El esquema de la figura resume esas observaciones.
- a) Explica qué conclusión sobre la estructura interna de la Tierra se deduce de la ausencia de ondas S en la zona de sombra.
- b) Razona, relacionándolo con su carácter transversal, por qué las ondas S no atraviesan el núcleo externo fluido.
- c) Las ondas P cambian de velocidad al entrar en el núcleo y sus trayectorias se curvan: indica cómo se llama ese fenómeno y razona por qué ocurre cuando una onda cambia de medio.
La rapidez de propagación depende del medio
Durante una tormenta ves el relámpago al instante, pero el trueno tarda varios segundos. Y si apoyas el oído en una vía del tren, oyes el golpe antes por el metal que por el aire. ¿Qué propiedades del medio determinan la rapidez de una onda?
Fija la frecuencia (la impone el foco) y cambia la longitud de onda: es como cambiar de medio, porque $v = \lambda f$ varía solo porque varía $\lambda$.
Se da un golpe seco en el extremo de una tubería de acero de $1000\ \text{m}$ de longitud, llena de agua y rodeada de aire, de modo que el sonido viaja por los tres…
Se da un golpe seco en el extremo de una tubería de acero de $1000\ \text{m}$ de longitud, llena de agua y rodeada de aire, de modo que el sonido viaja por los tres medios a la vez. Las velocidades del sonido son $5100\ \text{m/s}$ en el acero, $1480\ \text{m/s}$ en el agua y $340\ \text{m/s}$ en el aire.
- a) Calcula el tiempo que tarda el sonido en llegar al otro extremo por cada uno de los tres medios.
- b) Explica por qué en el otro extremo se perciben tres señales separadas en el tiempo.
- c) Razona, relacionándolo con la estructura interna de cada medio, por qué el sonido viaja más rápido en un sólido que en un gas.
La ecosonda de un barco pesquero emite un pulso de ultrasonidos que tarda $0,12\ \text{s}$ en bajar hasta un cardumen y regresar. El sonido se propaga en el agua de mar…
La ecosonda de un barco pesquero emite un pulso de ultrasonidos que tarda $0,12\ \text{s}$ en bajar hasta un cardumen y regresar. El sonido se propaga en el agua de mar a $1500\ \text{m/s}$. El esquema de la figura muestra el recorrido del pulso.
- a) Calcula la profundidad a la que se encuentra el cardumen, teniendo en cuenta que el tiempo medido corresponde al trayecto de ida y vuelta.
- b) Si el pulso tiene una frecuencia de $50\ \text{kHz}$, calcula su longitud de onda en el agua.
- c) Explica, a partir del valor de la frecuencia, por qué estas ondas reciben el nombre de ultrasonidos.
Un sonar de investigación oceanográfica debe distinguir objetos de $5\ \text{cm}$ sobre el fondo marino; para resolver un detalle se necesita una longitud de onda del…
Un sonar de investigación oceanográfica debe distinguir objetos de $5\ \text{cm}$ sobre el fondo marino; para resolver un detalle se necesita una longitud de onda del orden del tamaño del objeto o menor. El sonido viaja en el agua a $1500\ \text{m/s}$.
- a) Calcula la frecuencia mínima que debe utilizar el sonar.
- b) Si el fondo está a $3000\ \text{m}$, calcula el tiempo que transcurre entre la emisión del pulso y la recepción de su eco.
- c) Un sonar de pesca convencional trabaja a $20\ \text{kHz}$: calcula su longitud de onda y razona si serviría para distinguir esos objetos.
Ondas estacionarias: nodos, vientres y modos de vibración
Si agitas una cuerda atada a la pared con una frecuencia muy concreta, la perturbación deja de parecer un pulso que avanza y la cuerda se divide en puntos inmóviles y zonas de oscilación amplia. ¿Cómo producen dos ondas en movimiento un patrón que se queda fijo?
Los nodos aparecen porque en esos puntos las dos ondas, que viajan en sentidos opuestos, llegan siempre con desplazamientos contrarios y se cancelan (interferencia destructiva). En los vientres llegan siempre en fase y se refuerzan.
Una estacionaria también se obtiene sumando dos ondas de igual amplitud y frecuencia que avanzan en sentidos opuestos: $y = 2A\,\operatorname{sen}(kx)\cos(\omega t)$. La amplitud depende de la posición, $|2A\operatorname{sen}(kx)|$, y por eso hay puntos que no se mueven. A diferencia de una onda viajera, la estacionaria no transporta energía neta de un lado a otro: la energía queda atrapada entre los nodos.
Ondas estacionarias en tubos sonoros
En un tubo ideal, un extremo abierto es aproximadamente un vientre de desplazamiento del aire (y nodo de presión); un extremo cerrado es un nodo de desplazamiento (y vientre de presión). En los dibujos se representa el desplazamiento del aire.
Los tubos sonoros también permiten ver la interferencia: dos parlantes que emiten en fase se refuerzan en los puntos donde la diferencia de caminos es un número entero de longitudes de onda y se cancelan donde es un número semientero.
La ecosonda de un barco pesquero emite un pulso de ultrasonidos que tarda $0,12\ \text{s}$ en bajar hasta un cardumen y regresar. El sonido se propaga en el agua de mar…
La ecosonda de un barco pesquero emite un pulso de ultrasonidos que tarda $0,12\ \text{s}$ en bajar hasta un cardumen y regresar. El sonido se propaga en el agua de mar a $1500\ \text{m/s}$. El esquema de la figura muestra el recorrido del pulso.
- a) Calcula la profundidad a la que se encuentra el cardumen, teniendo en cuenta que el tiempo medido corresponde al trayecto de ida y vuelta.
- b) Si el pulso tiene una frecuencia de $50\ \text{kHz}$, calcula su longitud de onda en el agua.
- c) Explica, a partir del valor de la frecuencia, por qué estas ondas reciben el nombre de ultrasonidos.
Vuelve al principio: en alta mar un tsunami viaja a más de $700\ \text{km/h}$, con una longitud de onda de cientos de kilómetros y apenas un metro de altura, así que un barco ni lo nota. Al llegar a la costa la profundidad baja, la rapidez disminuye y su energía se concentra en una ola destructiva, como la que siguió al terremoto de Valdivia de 1960. Por eso el SHOA y Senapred dan la alerta y se evacúa hacia zonas altas.