CAPÍTULO 4 / TEMA 6

Fenómenos ondulatorios

Las ondas pueden comportarse de distintas maneras según el medio en el que se encuentren. Así, la manera de propagarse varía según los obstáculos, los choques o los cuerpos a atravesar. Esto produce varios fenómenos que veremos a continuación.

¿QUÉ ES UNA ONDA?

Es una oscilación o perturbación que se caracteriza por propagarse en el espacio y por transportar energía, no materia.

Por ejemplo, al tomar una soga de un extremo y sacudirla se puede observar que se genera un movimiento ondulatorio, pero la soga no ha sido modificada. En consecuencia, al imaginar que la soga está compuesta por infinitos puntos uno al lado del otro, se puede decir que cada uno de ellos es desplazado verticalmente por el movimiento. En otras palabras, la soga vibra.

A diario, las ondas se pueden observar en el mar, al tirar una piedra en un cuerpo tranquilo de agua, al tocar las cuerdas de una guitarra o al hablar.

¿Cuáles son las características de una onda?

Elongación (y): es la distancia que existe en cualquier instante entre la posición de equilibrio y la posición de la partícula. En el SI se mide en metros (m).

Amplitud (A): es la elongación máxima que puede alcanzar una partícula con respecto a la línea de equilibrio. En el SI se mide en metros (m).

Cresta y Valle: la cresta es el punto más alejado de la línea de equilibrio del medio donde se propaga la onda, y el valle es el punto más alejado de la línea de equilibrio donde se propaga la onda, pero opuesta a la ubicación de la cresta.

Longitud de onda (λ): es la distancia existente entre dos puntos de la onda que se encuentra en un instante dado en el mismo estado de vibración, es decir, es la distancia que la onda recorre en un ciclo, puede ser entre dos valles sucesivos o dos crestas sucesivas y se mide en metros (m).

Periodo (T): es el tiempo que tarda una oscilación que se propaga en recorrer un espacio igual a la longitud de onda. Se mide en segundos (s).

Velocidad de propagación (v): es la velocidad con la que puede propagarse una onda. Se mide en m/s.

Frecuencia (f): es el número de oscilaciones o vibraciones completas que se realizan en un segundo. Es la inversa de periodo. Se mide en hercios (Hz).

¿QUÉ ES EL MOVIMIENTO ONDULATORIO?

Para comprender mejor la definición de onda hay que saber que la materia que nos rodea, como el agua, el aire o una mesa, está formada por partículas. Éstas están más apretadas en los sólidos y más dispersas en los líquidos o gases. Sin embargo, en todos los casos la vibración de una partícula puede transmitirse a una partícula contigua.

Partículas en una cuerda.

Por lo tanto, cuando se propaga una onda, las partículas vibran alrededor de sus posiciones pero no se mueven con la onda. Por ejemplo: cuando se tira una piedra en el agua, las partículas de agua no avanzan lateralmente sino que suben y bajan al mismo tiempo que transmiten energía a las partículas vecinas. De este modo se forman pequeñas olas: son ondas que viajan a través del agua y transmiten la energía de un sitio a otro.

Radio AM

La radio AM es un medio de comunicación que transmite con amplitud modulada (AM): una manera de transmitir información por medio de una onda transversal. Se usa también en radios de aviones y torres de control.

¿CUÁLES SON LOS TIPOS DE ONDAS?

Ondas según la dirección de propagación

Longitudinales: la alteración o perturbación es paralela al desplazamiento de la onda.

Transversales: la alteración o perturbación es perpendicular al desplazamiento de la onda.

Ondas según la dimensión de propagación

Unidimensionales: se propagan en una sola dirección.

Por ejemplo: la propagación de movimiento en una cuerda.

Bidimensionales: se propagan sobre una superficie en dos dimensiones.

Por ejemplo: las olas en la superficie de un líquido.

Tridimensionales: Se propagan por el espacio en tres dimensiones.

Por ejemplo: el sonido.

Según el medio que necesitan para propagarse

Mecánicas: necesitan un medio material para propagarse. Por ejemplo: las ondas sonoras y las generadas en la superficie del agua.

Electromagnéticas: pueden propagarse en medios materiales y en el vacío. Por ejemplo: la luz, los rayos x y el láser.

¿CUÁLES SON LOS FENÓMENOS ONDULATORIOS?

Fenómenos ondulatorios
Reflexión Refracción Difracción Interferencia
Es el cambio de dirección en la onda cuando choca con una superficie lisa. No cambia el medio de propagación. Es el cambio de dirección y velocidad de la onda cuando pasa de un medio de propagación a otro. Es la desviación de la onda cuando llega a una abertura de tamaño comparable con su longitud. Es la adición o superposición de dos o más ondas.
Ejemplo Ejemplo Ejemplo Ejemplo
Espejo. Lápiz sumergido en agua. Rompeolas. Varios objetos lanzados al agua.

 

Ejemplo de refracción: lápiz dentro de un vaso de agua.

ONDA SONORA

Las ondas sonoras son ondas longitudinales.

Son las responsables de producir un efecto que al llegar al oído identificamos como sonido. Estas ondas corresponden al grupo de las ondas mecánicas, porque requieren de un medio para propagarse.

¿Qué es el sonido?

 

El sonido es una onda, es decir, una perturbación que “viaja” en el espacio y propaga energía. Las ondas sonoras tienen la capacidad de transmitirse a través de la materia, es por eso que cuando una persona habla, el sonido se mueve por el aire o a través de alguna pared.

 

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Cualidades del sonido

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Intensidad

Es la energía que se transmite por la onda al atravesar una superficie por unidad de tiempo. Se mide en J/m2s o W/m2.

Sonoridad

La sonoridad es una cualidad que permite diferenciar entre los sonidos fuertes y débiles. Su unidad es el belio (B) y se mide en decibelios (dB).

Tono

Es la frecuencia de vibración que tienen las ondas sonoras. Éstas permiten determinar si un sonido es grave o agudo. Se mide en hercio (Hz).

Sonidos

Sonidos graves: 20 a 256 Hz.

Sonidos medios de 256 a 2.000 Hz.

Sonidos agudos de 2.000 a 16.000 Hz.

Timbre

Es propio de cada fuente sonora. Cada material o voz humana vibra de una forma diferente y provoca ondas sonoras complejas que identifican el sonido.

Reflexión

Se produce cada vez que las ondas se encuentran con un cuerpo que no puede traspasar, y por lo tanto rebotan y se expanden o reflejan.

Fenómenos sonoros de la reflexión
Resonancia Reverberación Eco
Es el aumento de la amplitud y expansión de un sonido debido a los estímulos recibidos por parte de una fuente de ondas externas. Es el alargamiento de un sonido causado por repetidos procesos de reflexión. Se produce comúnmente en lugares cerrados y vacíos. Es producido por el choque directo de un sonido contra algún cuerpo. Este reflejo tarda más de una décima de segundo en ser escuchado.

Refracción

Cuando las ondas sonoras se desplazan y cambian de posición, la distancia y el movimiento producen una variación en el sonido.

¿Sabías qué?
Las ondas sonoras también se consideran ondas de compresión u ondas de compresibilidad porque producen compresión (zonas de alta presión y densidad) y rarefacción (zonas de baja presión y densidad) cuando viajan a través de un medio.

Propagación del sonido

El sonido se propaga de manera tridimensional, por lo que puede llegar a cualquier sitio del espacio. De este modo, la velocidad de su propagación depende del medio: si las partículas están muy próximas y de las fuerzas de cohesión.

Dirección de una onda de sonido

El sonido puede considerarse como una serie de ondas de compresión y de rarefacción propagadas por el aire.

En consecuencia, la velocidad de propagación de una onda sonora es mayor en los sólidos que en los líquidos, y en los líquidos es mayor que en los gases.

¿Sabías qué?
La velocidad del sonido a condiciones normales de presión y temperatura es de 5.600 m/s en el acero, 1.460 m/s en el agua y 340 m/s en el aire.

Efecto Doppler

Este efecto se percibe cuando se acerca al observador una onda sonora, su longitud de onda se acorta y el sonido se percibe a un mayor volumen. Es por este motivo que la altura de una fuente que se aleja, se reduce. Este efecto se puede percibir siempre que la fuente de ondas se mueva con respecto al observador o viceversa. Como resultado se podrá observar una aparente variación de la altura del sonido.

Efecto Doppler en la calle

Al escuchar a lo lejos la sirena de una ambulancia, la intensidad del sonido de su sirena aumenta a medida que el vehículo se acerca a nosotros a toda velocidad, pero justo después de que nos pasa por un lado y se aleja de nosotros su intensidad disminuye y la frecuencia de pulsos de sonidos se hace más larga, este fenómeno se conoce como efecto Doppler.

 

LUZ

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En 1817, un físico inglés llamado Thomas Young afirmó que la luz tiene las propiedades de una onda. En su experimento calculó la longitud de onda de la luz a partir de un patrón de interferencia y descubrió no sólo que la longitud de onda es una millonésima de metro (1 μm) o menos, sino también que la luz es una onda transversal. Este fenómeno no se puede explicar a menos que la luz se considere una onda.

Las ondas electromagnéticas son ondas transversales.

Más tarde, en 1864, el físico escocés James Clerk Maxwell estableció que la luz es una forma de energía electromagnética que viaja en ondas. La razón de cómo lo hace en ausencia de un medio se explica por la naturaleza de las vibraciones electromagnéticas.

La luz se comporta como una onda, sufre reflexión, refracción y difracción.

Reflexión Refracción  Difracción
El reflejo de las ondas de luz en una superficie da como resultado la formación de una imagen. Cuando la luz pasa de un medio a otro se observa una desviación debido a las velocidades de propagación que difieren entre sí. Si la luz encuentra un obstáculo en su camino, éste la bloquea y tiende a causar la formación de una sombra en la parte de atrás del mismo.

Espectro electromagnético

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La luz está compuesta por ondas electromagnéticas que pueden poseer diversas frecuencias, que se clasifican y conforman el denominado espectro electromagnético.

La luz visible es una pequeña parte del espectro electromagnético que comprende longitudes de onda entre 380 nm y 740 nm. Un elemento de las ondas electromagnéticas es su longitud de onda, la cual determina el color; por ejemplo: el violeta posee una longitud de onda más corta y el rojo una más larga.

Espectro electromagnético.

Propagación de la luz

La luz puede propagarse en el vacío así como en otros medios, por lo tanto, su velocidad dependerá de dicho medio. Asimismo, la luz se propaga tridimensionalmente en el espacio.

¿Sabías qué?
La velocidad de propagación de la luz en el vació o en el aire es de 3 · 108 m/s.

Si el medio es homogéneo, la luz se propagará linealmente y se podrán distinguir:

  • Las áreas de sombra que no reciben luz.
  • Las áreas de penumbra que reciben parte de la luz.
  • Las áreas iluminadas que reciben todos los rayos de luz.
La sombra es una zona donde la luz es obstaculizada.
RECURSOS PARA DOCENTES

Video “Efecto Doppler”

Recurso audiovisual que explica cómo se produce este efecto relacionado con la variación de frecuencia en las ondas.

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Artículo destacado “Acústica y sonido: cualidades del sonido”

Este artículo diferencia acústica y sonido, y describe las cualidades de este último: intensidad, altura o tono y timbre.

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Artículo destacado “El sonido: Fenómeno vibratorio”

Recurso que ahonda en detalle en las particularidades del fenómeno vibratorio, el sonido y su transmisión.

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Artículo destacado “Ondas electromagnéticas”

Artículo que describe las características y tipos de ondas electromagnéticas.

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Hidrocarburos aromáticos

El benceno y sus derivados conforman la familia de los hidrocarburos aromáticos. Estos compuestos son utilizados para la obtención de medicamentos, desinfectantes, resinas, colorantes, etc. Muchos de ellos son conocidos por sus nombres tradicionales: naftaleno, anilina, tolueno y ácido acetilsalicílico, entre otros.

El benceno es un compuesto cíclico, cuya fórmula molecular es C6H12, con una estructura hexagonal. Los compuestos aromáticos poseen al menos un anillo bencénico.

¿qué es un compuesto cíclico?

Los compuestos cíclicos son hidrocarburos alifáticos de cadena cerrada, para nombrarlos se antepone el prefijo ciclo- al nombre del hidrocarburo.

HIDROCARBURO DE CADENA ABIERTA HIDROCARBURO DE CADENA CERRADA
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH

hexano

CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH3

1-hexeno

Observar que en el hexano los extremos poseen 3 hidrógenos y en el ciclohexano todos los carbonos están acompañados por 2 hidrógenos, esto se debe a la característica del carbono que le permite unirse hasta con 4 átomos.

El ejemplo comparativo entre 1-hexeno y ciclohexeno no implica que el primero dé como resultado únicamente la estructura que se observa del segundo, pero sí es importante analizar qué ocurre con la cantidad de hidrógenos en uno y otro compuesto.

BENCENO

Es un líquido oleoso, inflamable y de olor penetrante, el benceno y sus derivados conforman la familia de los hidrocarburos aromáticos.

Este compuesto fue descubierto por Michael Faraday en 1826 y recién en 1865 pudo definirse su estructura. El químico alemán August Kekulé fue quien representó a la molécula de benceno como un compuesto cíclico que contiene seis átomos de carbono distribuidos en una molécula hexagonal, con enlaces dobles y simples alternados sin ubicación fija.

La molécula de benceno es plana, cíclica y hexagonal.

En la actualidad se sabe que en cada átomo de carbono hay un electrón que se mueve en toda la extensión de la molécula de benceno, es decir, que no se ubica formando dobles enlaces en forma fija, por este motivo una de las formas de representar a la molécula de benceno es mediante un hexágono con un círculo en su interior, que esquematiza los electrones que no tienen una ubicación fija.

RESONANCIA

   

                            Resonancia en el benceno.

Es una propiedad que poseen ciertas moléculas en las cuales, a pesar de tener el mismo ordenamiento en sus núcleos atómicos, se observa diferencia en la distribución de sus electrones, lo que genera dos o más formas de representación del compuesto.

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

El benceno y sus derivados comprenden el grupo de los hidrocarburos aromáticos, se obtienen por el reemplazo de uno o más átomos de hidrógeno del benceno por sustituyentes.

EJEMPLOS DE SUSTITUYENTES

  • Átomos distintos al carbono e hidrógeno: F, Cl, Br, I, At, Ts.
  • Grupos alquilo: -CH3, -CH2-CH3, -CH2-CH2-CH3, etc.
  • Grupos funcionales: -NH2 (amino), -NO2 (nitro), etc.

NOMENCLATURA

Aromáticos con bencenos monosustituidos

En estos compuestos se ha reemplazado una H de un benceno por otro átomo o grupo de átomos.

Aromáticos con dos o más sustituyentes

Si se presenta más de un sustituyente es necesario numerar los átomos de carbono para indicar la localización del segundo grupo sustituyente con respecto al primero.

En este caso puede haber más de una posibilidad de ubicación de los sustituyentes, por lo que se requiere el uso de prefijos para diferenciar los compuestos. Por ejemplo:

PREFIJOS

Se utilizan para indicar las posiciones relativas de los grupos sustituyentes.

o- (orto): dos grupos sustituyentes consecutivos.

m- (meta): dos grupos sustituyentes alternados.

p- (para): dos grupos sustituyentes opuestos.

Aromáticos con diferentes grupos sustituyentes

Para nombrar estos compuestos se coloca el nombre del radical seguido de la palabra benceno. Cuando existe más de un radical, se escribe la posición de los mismos mediante números o se utilizan los prefijos orto-, para- y meta-.

RECORDAR: “Los sustituyentes se ordenan teniendo en cuenta el orden alfabético”.

En el ejemplo anterior la ubicación 1 pertenece al cloro dado que la “c” precede a la “n” de nitro.

NOMBRES Y USOS

Muchos aromáticos tienen nombres especiales, distintos a los que determina la IUPAC. Los usos de estos compuestos son variados, algunos de ellos son:

NAFTALENO: Es un sólido que se utiliza en forma de esferas o escamas para alejar a las polillas, se conoce como naftalina.

La naftalina se volatiliza fácilmente, es decir pasa del estado sólido al gaseoso sin pasar por el líquido.

ANILINA: Es utilizada en la industria farmacéutica y como colorante, presenta un grupo amino en su estructura.

TOLUENO: Se usa en la fabricación de pinturas, como disolvente, en adhesivos, pegamentos y resinas. Presenta un grupo metilo en su estructura.

BENZALDEHÍDO: En la industria de alimentos se utiliza el benzaldehído como saborizante, ya que le aporta a los alimentos olor a almendras y cerezas.

A PRACTICAR LO APRENDIDO

  1. Nombrar los siguientes compuestos:

2. Escribir las fórmulas de los siguientes hidrocarburos aromáticos:

a) aminobenceno

b) nitrobenceno

c) m-dimetilbenceno

RESPUESTAS

1.

a) 1-bromo-2-nitrobenceno / 2-bromonitrobenceno / o-nitrobenceno

b) 1,4- dimetilbenceno / p-dimetilbenceno

c)  etilbenceno

2.

¿Sabías qué...?
El químico August Kekulé estableció la estructura del benceno después de haber tenido un sueño en el cual serpientes en movimiento se mordían la cola, formando un ciclo.

Movimientos oscilatorios

¿Con qué relacionarías este concepto? Podría ser con un péndulo que va de aquí hacia allá, es decir, oscila. Pero también podría ser con un celular que vibra, que se mueve enérgicamente.

En física se define movimiento oscilatorio como “movimiento repetitivo de un cuerpo que recorre el mismo camino a la ida y la vuelta”.

Lo primero que tenemos que saber es que movimiento, oscilación y vibración no son sinónimos. Toda vibración es una oscilación y toda oscilación es un movimiento. Sin embargo, un movimiento no es una oscilación y una oscilación no es una vibración. Para entenderlo mejor, podemos advertir que un auto se mueve pero no oscila y un péndulo oscila pero no vibra.

Vibración se define como “oscilación (movimiento repetitivo de vaivén) respecto a una posición de equilibrio.

Tanto las oscilaciones como las vibraciones se prolongan en el tiempo mediante un proceso de conversión entre distintos tipos de energía. Como podemos ver, la diferencia entre ambos conceptos se encuentra en la energía. Así, en el péndulo los tipos de energía que intervienen son la energía cinética y la energía potencial gravitatoria; en tanto, para hablar de vibración de un sistema mecánico es necesario que aparezca un tipo de energía especial: la energía de deformación o la energía potencial elástica.

Un cuerpo que se encuentra oscilando inicia su movimiento en una posición específica y, luego de un tiempo, retorna al punto de inicio completando un ciclo. Pensemos en un péndulo: completa el ciclo cuando llega al punto extremo del cual comenzó.

ELEMENTOS

Veamos cuáles son los elementos que podemos distinguir en un movimiento oscilatorio:

Amplitud (A): es el desplazamiento máximo que realiza el cuerpo desde la posición de equilibrio.
Periodo (T): es el tiempo que tarda un ciclo y siempre es positivo. Se expresa en segundos o en segundos por ciclo.
Frecuencia (f): es el número de ciclos en la unidad de tiempo y siempre es positiva. Se expresa en Hertz: 1hertz = 1Hz = 1ciclo/s = 1s-1
La Frecuencia Angular (ω): Es dos veces la frecuencia (2πf). Donde la letra griega π es la conocida por todos con el valor 3,14159…rad. Representa la rapidez de cambio de una cantidad angular que siempre se mide en radianes, de modo que sus unidades son rad/s. Dado que f está en ciclos/s, podemos considerar que el número 2π tiene unidades de rad/ciclo.

CLASES DE MOVIMIENTOS OSCILATORIOS

Movimiento Armónico Simple (MAS)
Es un movimiento periódico de vaivén, en el que un cuerpo oscila de un lado al otro de su posición de equilibrio, en una dirección determinada, y en intervalos iguales de tiempo.

Por ejemplo, es el caso de un caballo de carrusel que oscila de arriba hacia abajo, es decir en una dirección determinada. También lo hace en intervalos iguales de tiempo.

Otro ejemplo sería el movimiento de un cuerpo colgado de un muelle oscilando arriba y abajo. El objeto oscila alrededor de la posición de equilibrio cuando se le separa de ella y se le deja en libertad.

¿Por qué es importante estudiar el MAS?
Resulta un tema esencial en el ámbito de la Física porque son muchos los fenómenos físicos que están relacionados con este tipo de movimiento. Permite estudiar ciertos comportamientos de la Naturaleza y otros creados por el hombre.

El movimiento que realizan los caballos del carrusel hacia arriba y hacia abajo es un movimiento armónico simple.

Oscilaciones amortiguadas o retardadas

Para entender cómo son este tipo de oscilaciones hay que saber lo que es la fricción o el rozamiento. Para esto pensemos en una ruleta que gira sin parar y nosotros queremos detenerla para por fin saber qué número sale. Probablemente atines a posar tu dedo sobre la superficie de la ruleta. ¿Qué ocurre? Al rozarlo se genera fricción, una fuerza externa hace que se vaya deteniendo. Bien, ahora imaginemos que del mismo modo intentamos detener a un péndulo o a la cuerda de la guitarra. Esto sería oscilación amortiguada. En resumen, para el caso de un oscilador amortiguado, la energía disminuye en el tiempo por efecto de la fuerza disipativa.

Oscilaciones forzadas

Las oscilaciones forzadas resultan de aplicar una fuerza periódica y de magnitud constante (llamada generador G) sobre un sistema oscilador (llamado resonador R). En esos casos puede hacerse que el sistema oscile en la frecuencia del generador (g), y no en su frecuencia natural (r). Es decir, la frecuencia de oscilación del sistema será igual a la frecuencia de la fuerza que se le aplica. Esto es lo que sucede por ejemplo en la guitarra, cuando encontramos que hay cuerdas que no pulsamos pero que vibran “por simpatía”.

Debe tenerse en cuenta que no siempre que se aplica una fuerza periódica sobre un sistema se produce una oscilación forzada. La generación de una oscilación forzada dependerá de las características de amortiguación del sistema generador y de las del resonador, en particular su relación.

Resonancia

Es un fenómeno que se puede observar cuando un cuerpo con capacidad para vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo período de vibración se asemeja al período de vibración característico de dicho cuerpo. En este marco, una fuerza pequeña aplicada en forma repetida, provoca que una amplitud de un sistema oscilante se haga muy grande. Un ejemplo de resonancia sería cuando un adulto está hamacando a un niño en una hamaca: la fuerza y la frecuencia con la que se empuja al niño está en resonancia con la frecuencia de la hamaca.

Como podemos observar el cuerpo vibra aumentando, progresivamente, la amplitud del movimiento a medida que recibe las actuaciones sucesivas de la fuerza. Si se lograse que una pequeña fuerza sobre un sistema oscilara a la misma frecuencia que la frecuencia natural del sistema, se daría lugar a una oscilación con una amplitud indeterminada. Sobre algunos materiales rígidos, este efecto puede ser destructivo; pensemos en la copa que se rompe cuando un soprano alcanza y sostiene la frecuencia de resonancia del mismo.

¿Sabías que por este motivo no se les permite a las tropas que van marcando el paso atravesar un puente dado que pueden entrar en resonancia y derrumbarse?

Un puente se puede derribar si el viento le proporciona una frecuencia de vibración similar a la de su resonancia.