Clase 1 FCA II Virtual (2)

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Conceptos básicos sobre Ondas.
	
	 
	
	Qué son las ondas
Aunque la difinición que voy a dar es demasiado amplia* (habitualmente se arranca de casos más particulares) me parece que posee un elemento muy importante como para dejar de lado: una onda es el movimiento de una perturbación, una señal, o de una cantidad de energía, o de cualquier cosa que no sea materia.
Un ejemplo de esto -bastante clásico por cierto- es la ola en la tribuna de un espectáculo deportivo (fútbol, qué otro). Mirá el esquema.
	 
	
		
	Cada renglón representa la misma fila de la tribuna vista a intervalos de tiempo regulares. Los mismos 23 espectadores sentados en una fila de la tribuna. Uno de ellos, un niño, te lo pinté de rojo para que lo uses de referencia (un diablito).
Estaban todos sentados, como los ves en el renglón de arriba. Pero pasa la ola, y unos espectadores se paran y saludan... luego se paran los de al lado mientras los primeros se vuelven a sentar... y así.
Fijate que el pibe, que estaba sentado en el lugar 12 sigue siempre ahí... no cambia su posición.
	 
	 
	De modo que acá tenés algo que viaja de izquierda a derecha, una señal, o llamalo como quieras... pero que no es materia (en este caso representada por la gente) que no modifica su posición.
Las olas en el agua también son ondas. El rumor, si querés, podés considerarlo una onda. Hay dos ondas muy famosas: la luz y el sonido; ahí también hay algo que viaja, pero que no es materia.
DOS TIPOS DE GRAFICOS ABOMINABLEMENTE PARECIDOS
A partir de ahora vas a tener que estar muy atento, porque las ondas se describen típicamente con dos gráficos tramposamente parecidos, pero que muestran cosas absolutamente diferentes.
Perturbación en función de la posición
Volvamos al ejemplo de la ola, pero suponete que en lugar de tener una fila de 23 espectadores, son millones y, además, diminutos. Lo más práctico para representar esa fila es con una línea llena.
	 
	 
	
	 
	 
	Ahí los tenes, los millones de espectadores de la fila (el rojo te marca la posición en que estaba nuestro diablito). En las ordenadas (y) se indica la perturbación, que en nuestro caso podría ser cuánto ascienden las cabezas; y en absisas (x) las posiciones de todos los espectadores. Este gráfico es una instantánea de la fila. En el ejemplo que yo grafiqué arriba, podría ser la foto del cuarto renglón, sacada inmediatamente después de que la ola abandonó al pibe.
Perturbación en función del tiempo
Este gráfico, en cambio, nos muestra toda la película... pero para un solo espectador, para una sola partícula material.
	 
	 
	
	 
	 
	Las ordenadas cuentan lo mismo que en el anterior... pero las abscisas nos indican el transcurrir del tiempo. En nuestro ejemplo, podría tratarse del gráfico que muestra la perturbación del espectador que está al lado del niño. Fijate: desde el comienzo de la película hasta un rato largo después, casi llegando a la mitad de la película, el tío permanece sentado. Cuando la ola pasa el hombre se para. Al toque se sienta y así vuelve a quedar, sentado, hasta que la película termina.
¿Entendiste que los dos gráficos cuentan cosas totalmente diferentes? Bien, la única diferencia que vas a encontrar en los ejercicios es el nombre de la variable en las abscisas, x o t. Ojito.
CHISMES IMPORTANTES
	 
	 
	· La velocidad con la que avanzan las ondas recibe el nombre de velocidad de propagación.
· La velocidad de propagación de las ondas depende del medio en que se propagan... luego, si el medio es uniforme y no cambia, la velocidad de propagación de las ondas será constante, lo cual representa la situación más común en la física.
· Cuando las ondas viajan en un plano o en un volumen, y no en una línea (como en los ejemplos de esta página), suelen viajar todas juntas. Ese avance conjunto genera una propiedad muy llamativa denominado frente de onda. Si en el ejemplo de esta página yo tomo cuatro o cinco filas de la tribuna en lugar de una sola, entonces el fenómeno es más visual ya que no es uno el que se levanta en cada momento sino que son cuatro o cinco, simultáneamente, uno en cada fila ¡y en la misma columna!
	 
	 
		· En suma, una onda es un fenómeno de contagio; se repoduce si y sólo si una partícula material que fue contagiada por su vecina (para que le ocurra algo) es capaz de contagiar a su vez a la vecina del otro lado. Pase y no vuelva.
	
	 
	 
	· El impulso nervioso es una onda bastante compleja... pero se trata inequívocamente del contagio de cierre y apertura de canales acomodados en la membrana de las células. Ahí los espectadores son los canales.
	
	
	
	
	 
	
	Qué son las ondas periódicas
Las ondas más interesantes de la naturaleza son periódicas. Eso quiere decir que no es una única perturbación la que viaja, sino que son muchas (muchísimas) perturbaciones, una atrás de la otra, todas iguales y equiespaciadas. Eso es una onda periódica.
Dos gráficas diferentes para una onda periódica -como ejemplo- son las siguientes:
	 
	
		
	El de arriba nos muestra cómo están perturbadas todas las partículas afectadas en la propagación de la onda en un único instante.
Y el de abajo nos muestra cómo se perturba una única partícula material mientras se halla sometida al pasaje de la onda periódica.
	 
	¡Atención!
los gráficos muestran cosas absolutamente diferentes.
	La forma que elegí para mostrarte el fenómeno de la periodicidad es arbitraria. Se llama senoidal, porque tiene la pinta de la función trigonométrica seno. Pero bien podría tener otras formas: cuadrada, triangular... la que vos quieras. Mientras haya una forma básica que se repite periódicamente, estarás en presencia de una onda periódica.
Sin embargo, la forma que elegí -la senoidal- es carísima a la fisica. Un montón de fenómenos de relevancia tienen naturaleza senoidal, en particular el sonido y la luz, que se presentan en este mismo Sitio.
CARACTERISTICAS FUNDAMENTALES DE UNA ONDA
Fijate muy bien con qué gráfico (y-x o y-t) te ilustro cada elemento. La distancia entre dos "picos" de máxima perturbación... o dos partículas que estan igualmente perturbadas, se llama longitud de onda.
	 
	 
		
	Se representa con la letra griega minúscula lambda, λ, y se mide en cualquier unidad de longitud, por ejemplo, metros.
A menos que cambiemos de onda o de medio, la longitud de onda es constante.
	 
	 
	El intervalo de tiempo que transcurre entre dos perturbaciones máximas que sufre una partícula material cualquiera se llama período.
	 
	 
		
	Se representa con la letra mayúscula T, y se mide en cualquier unidad de tiempo, por ejemplo, segundos.
A menos que cambiemos de onda, el período es constante.
	 
	 
	Otra forma de caracterizar el período es formularnos la siguiente pregunta: ¿cuántas veces por unidad de tiempo se alcanza el máximo? La respuesta a esta pregunta se llama frecuencia, f, y es la inversa multiplicativa del período (ya lo viste en el MCU):
f = 1 / T
La magnitud de la perturbación va cambiando. Cuando alcanza un máximo, recibe el nombre de amplitud.
	 
	En algunos textos la frecuencia aparece simbolizada con la letra griega minúscula nu,
ν.
		
	Se representa con la letra mayúscula A, y se mide en la misma unidad en que se miden las perturbaciones (diferentes en cada tipo de onda).
Algunos autores utilizan la palabra amplitud para indicar cualquier perturbación, y amplitud máxima para lo que nosotros amplitud a secas.
	 
	 
	Si una perturbación máxima (que se mueve junto a toda la onda periódica a velocidad constante, v) tarda un período de tiempo, T, en desplazarase un tramo igual a una longitud de onda, λ, entonces, su velocidad (sólo por el hecho de ser constante) será:
v = λ / T
Reemplazando el período por su igual (la inversa de la frecuencia) se llega a la expresión fundamental -y más conocida- de las ondas:
	 
	 
		 
	v = λ . f
	 
	 
	 
	La velocidad de propagación de una onda periódica es igual al producto entre la longitud de onda y la frecuencia.
OJO: no se trata de la velocidad con que se mueven las partículas... ¡se trata de la velocidad de propagación de laonda!
	 
	 
	CHISMES IMPORTANTES
	 
	 
	· Para que haya una onda periódica debe existir algún perturbador inicial: algo o alguien que mueva a sus vecinos no porque se contagió de otro sino porque posee un motor propio. Luego, ya sabés, la onda se propaga por contagio en el medio material. Ese perturbador inicial (del que surgen -si querés- las ondas) recibe el nombre de emisor.
	 
	 
		· Cuando el emisor produce ondas periódicas senoidales, se trata de un oscilador armónico. Los osciladores armónicos son los más importantes, ya que cualquier onda periódica -tenga la forma que tenga- se puede considerar como producida por un conjunto de osciladores de este tipo; y les dedicamos un par de páginas en este Sitio.
	
	 
	
	· Un conjunto de perturbaciones que viajan en una onda (no muchas) suele recibir el nombre tren de ondas.
	
	
	
	 
	
	Ondas transversales y longitudinales
La velocidad de avance o de propagación de una onda define una dirección; y el movimiento de las partículas materiales, otra. Puede ocurrir que las partículas se muevan en una dirección transversal a la de propagación... en ese caso decimos que estamos frente a una onda transversal.
Ese es, justamente, el caso de nuestro primer ejemplo al inicio de los apuntes de ondas: la ola en la tribuna. Cada espectador se para o se sienta y eso es un movimiento vertical, mientras que la ola se desplaza por la tribuna en forma horizontal.
	 
	
		
	En este otro ejemplo que grafiqué, se muestra exactamente lo mismo, pero lo vamos a analizar con más detalle.
	 
	 
	Esas 15 bolitas de diferentes colores, para que podamos identificarlas, representan un medio material. De alguna manera (seguramente debido a las propiedades de ese medio material) cualquier perturbación que sufra cualquiera de ellas se las comunicará a sus vecinas, que sufrirán, entonces, la misma perturbación
	 
	 
		
	Cada renglón representa -como en el esquema de la ola en la tribuna- un instante posterior... todos equiespaciados.
En el primer momento se observa nuevamente al conjunto de bolitas quietas, en su posición de reposo, seriedad y equilibrio.
En el segundo momento se ve que la bolita verde se desplaza hacia arriba un poquito. En el tercer renglón vemos que la verde subió un poquito más y que, de algún modo, arrastró hacia arriba a la roja.
En el cuarto momento se ve que la verde ha decidido volver a su lugar, pero la roja está contagiada de júbilo y sigue para arriba... y encima arrastra a la azul.
En el quinto momento se ve que la verde entró en razones... pero la onda está en marcha.
Si observás con detenimiento en qué consistió la perturbación de cada partícula hallarás que se movió verticalmente mientras que la onda viajaba horizontalmente de izquierda a derecha. Esas dos direcciones son transversales... luego, nuestra onda es una onda transversal.
	 
	
Detalle de
lo que le ocurre a una sola bolita.
	Ahora fijate este otro caso. Volvemos a tener un medio material integrado por partículas de colores.
	 
	 
		
	No pasa nada muy diferente de lo anterior, sólo que los pequeños movimientos de cada partícula -sus perturbaciones- consisten en desplazamientos horizontales... la misma dirección que el desplazamiento de la onda.
Luego, estamos ahora en presencia de una onda longitudinal.
	 
	
	Las ondas longitudinales son sencillas de producir, ya que sólo hace falta empujar a la partícula de al lado para desplazarla un cacho, y que ésta haga lo mismo con la de más allá y así sucesivamente. También si una se retira hacia atrás y deja el espacio vacío, enseguida vendrá a ocuparlo la vecina... y así.
Pero una onda transversal... es un poco más difícil, ya que si me muevo de costado y pretendo arrastrar conmigo a la vecina, debo tener con ella cierto ligamiento, cierta cohesión. Si no, no puedo desplazarla lateralmente, y no hay onda (con la vecina).
	 
	 
	 
	 
	 
	CHISMES IMPORTANTES
	 
	 
	· Las ondas en las cuerdas son transversales. Basta con ver cómo se logra producirlas (siempre perturbándolas en forma perpendicular a la cuerda, por donde viaja la onda).
	 
	 
		· Las ondas en el agua son transversales. Basta con poner a flotar un corchito (que lo único que hace es poner de manifiesto el movimiento del agua) y se ve que cuando pasa una ola (horizontalmente, como siempre, al ras del líquido) el corchito sube y baja, se desplaza verticalmente... o sea, transversal a la propagación de la ola.
	
	 
	
	· La luz y todas las ondas electromagnéticas son transversales (misterio).
· El sonido es un fenómeno de ondas longitudinales.
· Si no entendés estos apuntes... es porque no le ponés onda.