Ejercicios: Tipos de movimientos ondulatorios

Clasifique las siguientes ondas en mecánicas o electromagnéticas y explique el criterio que utilizó:

1. a) El sonido emitido por un altavoz.
2. b) La luz de un faro.
3. c) Las microondas de un horno.
4. d) Las olas del mar.
5. e) Las ondas sísmicas de un terremoto.

Explique 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 ponga un ejemplo real de cada tipo.

En muchas películas de ciencia ficción se oyen estruendosas explosiones de naves en el espacio exterior.

1. a) Razone, a partir de la naturaleza del sonido, por qué en el vacío del espacio no podría oírse ninguna explosión.
2. b) Explique cómo se comunican por voz los astronautas con el control de misión y qué tipo de onda se emplea para ello.

Las ondas sísmicas P son longitudinales y las ondas sísmicas S son transversales.

1. a) Explique qué significa cada una de estas afirmaciones, describiendo cómo se mueve el terreno al paso de cada tipo de onda.
2. b) Razone cuál de los dos tipos no puede propagarse a través de las capas fluidas del interior de la Tierra y por qué.

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.

1. a) Razone, a partir de esta observación, qué es lo que transporta una onda y qué es lo que no transporta.
2. b) Explique cómo llega entonces la perturbación a grandes distancias sin que el agua experimente un desplazamiento horizontal neto con ella.

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.

1. a) Calcule el tiempo que tarda el sonido en llegar al otro extremo por cada uno de los tres medios.
2. b) Explique por qué en el otro extremo se perciben tres señales separadas en el tiempo.
3. c) Razone, relacionándolo con la estructura interna de cada medio, por qué el sonido viaja más rápido en un sólido que en un gas.

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 $4\ \text{km/s}$.

1. a) Calcule el tiempo que tarda en llegar a la estación cada tipo de onda.
2. b) Calcule la diferencia de tiempo entre ambas llegadas.
3. c) Explique por qué esa diferencia de tiempos permite estimar la distancia al epicentro.

En $2015$ el observatorio LIGO detectó por primera vez ondas gravitacionales procedentes de la fusión de dos agujeros negros situados a $1,3\cdot10^{9}$ años luz. Las ondas gravitacionales viajan por el vacío a $c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$. Datos: $1$ año luz $= 9,46\cdot10^{15}\ \text{m}$; $1$ año $= 3,156\cdot10^{7}\ \text{s}$.

1. a) Exprese la distancia a la fuente en metros, en notación científica.
2. b) Calcule el tiempo que viajó la señal hasta llegar a la Tierra, en segundos.
3. c) Razone si las ondas gravitacionales son ondas electromagnéticas o mecánicas y qué las distingue de unas y de otras.

La ecosonda de un barco pesquero emite un pulso de ultrasonidos que tarda $0,12\ \text{s}$ en bajar hasta un banco de peces 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.

1. a) Calcule la profundidad a la que se encuentra el banco, teniendo en cuenta que el tiempo medido corresponde al trayecto de ida y vuelta.
2. b) Si el pulso tiene una frecuencia de $50\ \text{kHz}$, calcule su longitud de onda en el agua.
3. c) Explique, a partir del valor de la frecuencia, por qué estas ondas reciben el nombre de ultrasonidos.

Las ondas P ($7\ \text{km/s}$) y S ($4\ \text{km/s}$) de un terremoto llegan a una estación sísmica con una diferencia de tiempo de $54\ \text{s}$.

1. a) Escriba la expresión del tiempo de viaje de cada onda en función de la distancia $d$ al epicentro.
2. b) Plantee la ecuación de la diferencia de tiempos y calcule la distancia $d$.
3. c) Explique por qué los datos de una sola estación no bastan para localizar el epicentro y qué información adicional aporta disponer de tres estaciones (triangulación).

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 $1500\ \text{m/s}$.

1. a) Calcule la frecuencia mínima que debe utilizar el sonar.
2. b) Si el fondo está a $3000\ \text{m}$, calcule el tiempo que transcurre entre la emisión del pulso y la recepción de su eco.
3. c) Un sonar de pesca convencional trabaja a $20\ \text{kHz}$: calcule su longitud de onda y razone si serviría para distinguir esos objetos.