Ondas
06 feb, 2013
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PDFEn el agua
PRESENTACIÓN: Una onda mecánica es la propagación en un medio de una perturbación que transporta energía y que cuando encuentra un obstáculo u otras ondas producen fenómenos de superposición caracterizados por aumento o disminución en el espacio de la amplitud de la onda resultante.
- Wavetank in a glass, Dave Van Domelen, Phys. Teach. 50, 56 (2012)
- Modeling the 2004Indian Ocean Tsunami for Introductory Physics Students, Gregory A. DiLisi and Richard A. Rarick, Phys. Teach. 44, 585 (2006)
INTRODUCCIÓN: En la mecánica ondulatoria la interferencia es el resultado de la superposición de dos o más ondas de frecuencia idéntica o similar. El principio de superposición de ondas establece que la magnitud de la perturbación ondulatoria en cualquier punto del medio es igual a la suma de los desplazamientos en ese mismo punto de todas las ondas presentes. Si las ondas originales se contrarrestan la resultante es menor, la interferencia es destructiva. Si la onda resultante es mayor las ondas originales se refuerzan y la interferencia es constructiva.
En Física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción se presenta debido a la manera en la cual las ondas se propagan; esta es descrita por el Principio de Huygens-Fresnel. Para determinar la forma de un patrón de difracción hay varios modelos analíticos que se pueden utilizar: de Fraunhoffer y de Fresnel. Ambos aportaron grandes descubrimientos en el ámbito de la ondulatoria.
MATERIALES: caja de plástico transparente, regla de plástico, bloque de madera, peine, arcilla, foco potente de luz.
MONTAJE: Llenar la caja de plástico de agua fría. Situar el bloque de madera con la regla encima de modo que el extremo de la regla llegue hasta la caja. Moldear las bolas de arcilla del mismo tamaño y montarlas en el peine a la misma distancia. Colocar el peine en el extremo de la regla y asegurarse de que las bolas quedan en contacto con la superficie del agua pero no sumergidas.
EXPLICACIÓN: Al presionar el extremo libre de la regla con un dedo, se causan oscilaciones de pequeña amplitud. Se puede variar la frecuencia de las mismas variando la longitud de la regla que cuelga fuera del borde del bloque de madera. Este cambio de longitud de onda afecta a su vez a los ángulos de máximos y mínimos. Estos máximos y mínimos aparecen como consecuencia de la interferencia de las ondas creadas en cada fuente, es decir, en cada bola de arcilla. Para poder observar el fenómeno de la difracción se colocará una barrera como obstáculo de la propagación. Así se pueden observar variaciones espaciales de intensidad en la onda difractada.
CONCEPTOS: ondas, difracción, interferencias, longitud de onda, máximos y mínimos, frecuencia, intensidad de onda.
MÁS INFORMACIÓN:
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TEXTOS:
- Giancoli, D.C. Física para ciencias e ingeniería con Física moderna, Prentice-Hall, 2009.
- Sears F.W., Zemansky M.W., Young H.D. y Freedman R.A. Física universitaria. Pearson, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2010-2011: Sandra Martínez, Diana Martínez, Elena Maceiras.
ENLACE pdf ALUMNADO:
17 responses to "Ondas"
Quizá una de la parte de la mecánica más complicada de explicar. Como la interferencia pude ser constructiva o destructiva, según la frecuencia, amplitud, desfase entre dos onda. Este fenómeno mecánico también ocurre con las ondas electromagéticas, responsables de que las señales de los móviles, televisión, ect. Es muy importante entender el movimiento ondulatorio, ya que es muy característico en la mayoría de fenómenos que rodean nuestras vidas.
Cuando se produce un terremoto, la energía se transmite a través del subsuelo desde el hipocentro, en forma de ondas mecánicas. Las primeras y más rápidas, son las ondas primarias o longitudinales en las que la vibración se produce en la misma dirección en la que se propagan (como un muelle que se estira). Las segundas o secundarias son transversales y en ellas la vibración tiene lugar en una dirección perpendicular a la de propagación (como una cuerda que se agita). Además de estas ondas internas, están las superficiales (de Love y Rayleigh) que son habitualmente, las más destructivas. En el siguiente enlace, se puede acceder a una simulación de los distintos tipos de ondas que se dan cuando se produce un terremoto.
Por otra parte, en el siguiente vídeo también se pueden visualizar los distintos tipos de ondas a través de las que la energía es liberada desde los hipocentros de los terremotos.
No tiene que ver directamente con el video, pero al verlo me acordé de uno, que vi hace un tiempo, en el que, usando un altavoz, «congelan» un chorro de agua en el aire e incluso la hacen «fluir al revés». Claramente ni detienen ni hacen fluir al revés el agua de verdad, simplemente es un efecto causado por gravar con la cámara a la misma frecuencia (24Hz) que la onda sinoidal generada por el altavoz, para «detener» el flujo, o con el altavoz a una frecuencia ligeramente menor (23Hz) para «revertirlo».
En esta página web podemos encontrar interesante información sobre cómo se producen las olas en un parque acuático mediante máquinas especiales, ya sea mediante aire a presión o vertiendo enormes cantidades de agua en un extremo.
El comportamiento que experimentan los fluidos, gases e incluso los sólidos como se puede apreciar en otro de los vídeos de ondas de clickonphysics, a parte de ayudarnos a visualizar la «forma» de esas ondas, también nos permite ver las variaciones en diferentes frecuencias, desarrollando formas que además esconden una gran belleza y simetría. Algo de lo que se ha dado cuenta el músico Nigel Stanford y pone de manifiesto en su proyecto Cymatics, un IMPRESIONANTE vídeo en el que fusiona la ciencia y la música, y lo muestra a través de una excelente producción audiovisual, merece la pena echarle un vistazo.
Outro exemplo de refracción das ondas é o por qué nas praias se produce sedimentación das areas e nos cabos ou saíntes se produce erosión. Un tren de ondas que chegue perpendicular á costa vai sofrir refracción nos saíntes ao ser frenado polo fondo facendo que a onda se peche aplicando toda a súa enerxia sobre unha extensión menor. No caso das praias sucede o contrario o tren de ondas se refracta abríndose repartindo a súa enerxía sobre unha extensión moito maior polo que a area sedimenta. Déixovos un vídeo explicativo.
La cubeta de ondas permite visualizar muy bien los fenómenos de reflexión e interferencia.
Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio (campo eléctrico, campo magnético, presión…) a través de dicho medio, que puede ser el vacío, implicando un trasporte de energía sin transporte de materia. En el segundo video, se puede ver el fenómeno de interferencia, es decir, cuando en una zona determinada coinciden dos o más ondas., que se suman algebraicamente. En este enlace se puede ver un ejemplo de ondas longitudinales y transversales.
Un ejemplo de onda mecánica son las ondas sísmicas producidas por lo terremotos. En el siguiente artículo de Science in School nos presentan diferentes actividades relacionadas con las ondas sísmicas.
Ola!
Como xa comentei en estradas anteriores noutros temas, son profesor de Ciencias Naturais e por esto tratarei de realaciona-lo fenómeno físico tratado coa Bioloxía. Esta vez vou falar do efecto Doppler, no que os morcegos son verdadeiros especialistas.
O morcego é un mamífero insectívoro voador que captura as súas presas ao voo. É un animal nocturno e prácticamente cego que para non bater cos obstáculos e capturar as súas presas emprega a ecolocalización.
Para elo, en pleno voo, emite ondas de alta frecuencia non detectables polo oído humano, cando éstas chocan cun obxeto inmóbil ou móbil, como as presas das que se alimentan, refícten con outra frecuencia, son captadas cuns pabillóns auriculares especialmente adaptados para ésto e transformadas en impulsos nerviosos, creando así un maapa da situación no cerebro do morcego. Neste enlace accedes a un pequeno video que te pode mostrar como caza o morcego
Muy buen experimento, fácil de realizar en clase por los materiales.
Aínda que cando pensamos en ondas esteamos feitos a imaxinalas viaxando por un líquido o por el aire, os sólidos tamén vense afectados por ondas. As máis coñecidas, as ondas sísmicas. Aquí tedes unha moi boa explicación dos diferentes tipos de ondas.
Déixovos un vídeo moi ilustrativo sobre as ondas sísmicas!
En este experimento se explican la interferencia constructiva y destructiva en las ondas de agua utilizando un tanque de «ripples» (ondulaciones). Young demostró el fenómeno de la interferencia en las ondas de agua y con un método similar confirmó que la luz tiene propiedades de onda. En este vídeo se observa la interferencia tanto para el agua como para la luz.
Aprovechando que los compañeros han introducido la propagación de ondas por los sólidos, las ondas sísmicas, me gustaría introducir una aplicación muy relacionada: la sísmica como método geofísico acústico. Este método de trabajo en investigación también se conoce como sísmica de reflexión y aprovecha la reflexión de las ondas de sonido para el estudio del subsuelo. El funcionamiento es muy sencillo. Una fuente emite una onda acústica en una dirección, hacia el subsuelo (se puede emitir desde un vehículo en tierra, desde un punto fijo, desde un barco, etc). Esta onda viaja hacia el suelo y se refleja cuando se producen cambios en su velocidad de propagación (que cambia con la densidad de los materiales). Se reciben las reflexiones que se produzcan y se genera una «imagen» de como es el subsuelo.
Esta metodología se aplica en investigación y en la industria, para estudiar la estructura del subsuelo, la propia estructura de la Tierra, localizar objetos enterrados, petróleo…
En este video se explica brevemente el funcionamiento. La página web de Wikipedia también es muy completa.
Hablando de difracción, no puedo dejar de vincular este concepto a las técnicas de análisis estructural que existen en la actualidad. En concreto la difracción de rayos X consiste en irradiar la muestra a determinar con rayos X, de modo que al interaccionar con la muestra estos rayos generan un patrón de difracción que informa de la composición y estructura átomica de la muestra. Del mismo modo los electrones, por presentar una dualidad onda-partícula, pueden interactuar con la muestra y generar del mismo modo un patrón de difracción. Estas técnicas son muy empleadas en cristalografía. Os dejo unos enlaces sobre difracción de rayos X y difracción de electrones donde se os explica con mayor profundidad estas técnicas de análisis estructural.
Otro ejemplo muy visual se puede observa con un simulador de tsunamis como el que se puede ver en este video.