Los movimientos y las transformaciones que presenciamos en nuestro día a día se originan gracias a la energía. Ésta no es más que la capacidad de producir cambios o la capacidad de un sistema físico para hacer el trabajo o mover algo contra una fuerza, como la gravedad. Hay muchos tipos de energía diferentes en el universo. Toma muchas formas.
El Sol provee energía a través de radiaciones electromagnéticas que son aprovechadas por el hombre.
Transformación y conservación de la energía
Con la transformación de la materia también hay transformaciones de una energía a otra. Además, la energía puede conservarse, es decir, mantenerse constante, traspasarse en forma de calor o trabajo, y también degradarse, es decir, puede perder su calidad en el proceso de transformación.
La ley de la conservación de la energía dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
Formas de energía
La energía se entiende como la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, como energía mecánica, energía química, energía térmica, energía radiante, energía eléctrica, energía magnética y energía nuclear.
En el proceso de fotosíntesis, la energía de la luz solar es convertida en energía química, la cual se almacena en los enlaces de carbohidratos.
Energía mecánica
El movimiento y los cambios de posición en los objetos se deben a la energía mecánica. Ésta resulta de la suma de dos formas de energía: la energía cinética, que es la energía que tienen los cuerpos en movimiento; y la energía potencial, que está relacionada con la posición del cuerpo. La energía potencial puede ser gravitatoria o elástica.
Cuando el vagón de una montaña rusa llega a la parte más elevada aumenta su energía potencial, mientras que al bajar y aumentar su velocidad incrementa su energía cinética.
Fuentes de energía
Las fuentes de energía son aquellos recursos naturales o cuerpos que almacenan energía que puede transformarse en energía utilizable. Pueden ser renovables o no renovables. Las fuentes de energía renovables son las más abundantes en la naturaleza y son inagotables, por ejemplo: la energía hidráulica, la energía solar y la energía geotérmica. En cambio, las fuentes no renovables son las más utilizadas a pesar de ser limitadas, por ejemplo los combustibles fósiles.
La energía nuclear es una fuente de energía no renovable. Un ejemplo de ella es la bomba atómica.
Fenómenos ondulatorios
Una onda es una perturbación que se propaga en el espacio. Las ondas pueden comportarse de distintas maneras según el medio en el que se encuentren y se caracterizan por transportar energía, más no materia. Las ondas pueden ser transversales o longitudinales según la dirección en la que se propagan; también se pueden clasificar como mecánicas o electromagnéticas según el medio de propagación.
La luz y el sonido son ejemplos de ondas.
El calor y la temperatura
Aunque en nuestro vocabulario estos términos se usen sin distinción, el calor y la temperatura no son lo mismo. El calor es una forma de energía que se transfiere de un material más caliente a otro menos caliente, mientras que la temperatura es la medida de la cantidad de movimiento de las moléculas de un sistema; es decir, es una medida de la energía térmica.
La temperatura es una magnitud que puede medirse con un termómetro.
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.
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.
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.
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 vacio 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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