Ondas y sonido

Desde cero: transportar energía

Una onda es una perturbación que se propaga y transporta energía sin transportar de manera neta todo el medio. En una onda transversal la perturbación es perpendicular a la propagación; en una longitudinal es paralela.

El período T es el tiempo de un ciclo y la frecuencia f es el número de ciclos por segundo: f = 1/T. La longitud de onda λ es la distancia entre puntos equivalentes consecutivos. La rapidez se relaciona mediante v = λf.

Aplicación: sonido y cambios de medio

El sonido es una onda mecánica: requiere un medio. En el aire se propaga mediante compresiones y rarefacciones longitudinales. La frecuencia se relaciona con el tono; la amplitud e intensidad, con la percepción de sonoridad, sin ser conceptos idénticos.

Al pasar una onda a otro medio, su frecuencia la fija la fuente y se conserva en una frontera estacionaria. Si cambia la rapidez, cambia λ. La reflexión devuelve la onda al medio de origen; la refracción cambia su propagación al entrar a otro medio.

Reto: superposición, difracción y resonancia

Cuando dos ondas coinciden, sus perturbaciones se suman según el principio de superposición en el régimen lineal. Pueden reforzarse o cancelarse localmente. La cancelación de desplazamiento no significa que la energía deje de conservarse.

La difracción permite que una onda se extienda alrededor de obstáculos o aperturas, especialmente cuando sus dimensiones son comparables a λ. La resonancia ocurre cuando una excitación se aproxima a una frecuencia natural; el efecto Doppler cambia la frecuencia observada por movimiento relativo.

Sigue el razonamiento

Una cuerda realiza 5 oscilaciones por segundo: f = 5 Hz y T = 0.2 s.

Si la separación entre crestas es 2 m, v = 2(5) = 10 m/s. La frecuencia cuenta ciclos, mientras la rapidez mide distancia por tiempo.

Sigue el razonamiento

Un sonido de 500 Hz viaja a 340 m/s en aire. Su longitud de onda es λ = 340/500 = 0.68 m.

Si entra a un medio donde v = 1500 m/s, sigue con f = 500 Hz y λ pasa a 3 m. No se conserva la longitud de onda entre esos medios.

1. Una fuente produce 20 ciclos en 4 s. ¿Cuál es su frecuencia?

1. 5 Hz
2. 80 Hz
3. 0.2 Hz
4. 16 Hz

2. ¿Por qué no se transmite el sonido a través del vacío ideal?

1. Porque tiene frecuencia cero
2. Porque requiere un medio material
3. Porque toda onda requiere aire
4. Porque el vacío absorbe toda luz

3. Coinciden dos pulsos de +4 y −4 cm en una cuerda lineal. El desplazamiento instantáneo en el punto es:

1. −8 cm
2. 8 cm
3. 0 cm
4. 4 cm