5.5: Olas

Objetivos de aprendizaje

• Indicar las características de una ola.
• Calcular la velocidad de propagación de onda, dada la frecuencia y la longitud de onda

Figura\(\PageIndex{1}\): Las olas en el océano se comportan de manera similar a todos los demás tipos de olas. (crédito: Steve Jurveston, Flickr)

¿Qué queremos decir cuando decimos que algo es una ola? La ola más intuitiva y fácil de imaginar es la ola de agua familiar. Más precisamente, una ola es una perturbación que se propaga, o se mueve desde el lugar en que fue creada. Para las olas de agua, la perturbación está en la superficie del agua, tal vez creada por una roca arrojada a un estanque o por un nadador salpicando la superficie repetidamente. Para las ondas sonoras, la perturbación es un cambio en la presión del aire, tal vez creado por el cono oscilante dentro de un altavoz. Para los sismos, hay varios tipos de perturbaciones, incluyendo la perturbación de la superficie de la Tierra y las perturbaciones de presión bajo la superficie. Incluso las ondas de radio se entienden más fácilmente usando una analogía con las ondas de agua. Visualizar las ondas de agua es útil porque hay más que una simple imagen mental. Las olas de agua exhiben características comunes a todas las olas, tales como amplitud, periodo, frecuencia y energía. Todas las características de las olas pueden ser descritas por un pequeño conjunto de principios subyacentes.

Una ola es una perturbación que se propaga, o se mueve desde el lugar donde fue creada. Las ondas más simples se repiten durante varios ciclos y se asocian con un simple movimiento armónico. Empecemos por considerar la ola de agua simplificada en la Figura\(\PageIndex{2}\). La ola es una perturbación hacia arriba y hacia abajo de la superficie del agua. Hace que una gaviota se mueva hacia arriba y hacia abajo en simple movimiento armónico a medida que las crestas y valles de las olas (picos y valles) pasan por debajo del ave. El tiempo para un movimiento completo hacia arriba y hacia abajo es el período de la ola\(T\). La frecuencia de la onda es\(f=1 / T\), como siempre. La ola misma se mueve hacia la derecha en la figura. Este movimiento de la ola es en realidad la perturbación que se mueve hacia la derecha, no el agua misma (o el ave se movería hacia la derecha). Definimos la velocidad\(v_{\text {w }}\) de onda como la velocidad a la que se mueve la perturbación. La velocidad de las olas a veces también se denomina velocidad de propagación o velocidad de propagación, porque la perturbación se propaga de un lugar a otro.

ALERTA DE FALLO

Mucha gente piensa que las olas de agua empujan el agua de una dirección a otra. De hecho, las partículas de agua tienden a permanecer en un solo lugar, salvo para moverse hacia arriba y hacia abajo debido a la energía en la ola. La energía avanza a través del agua, pero el agua permanece en un solo lugar. Si te sientes empujado en un océano, lo que sientes es la energía de la ola, no una oleada de agua.

Figura\(\PageIndex{2}\): Una ola oceánica idealizada pasa bajo una gaviota marina que se balancea hacia arriba y hacia abajo en simple movimiento armónico. La onda tiene una longitud de onda\(\lambda\), que es la distancia entre partes idénticas adyacentes de la onda. La perturbación hacia arriba y hacia abajo de la superficie se propaga paralela a la superficie a una velocidad\(v_{\mathrm{w}}\).

la onda de agua en la figura también tiene una longitud asociada a ella, llamada su longitud de onda\(\lambda\), la distancia entre partes idénticas adyacentes de una ola. (\(\lambda\)es la distancia paralela a la dirección de propagación.) La velocidad de propagación\(v_{\mathrm{w}}\) es la distancia que recorre la onda en un tiempo dado, que es una longitud de onda en el tiempo de un periodo. En forma de ecuación, es decir

\[v_{\mathrm{w}}=\frac{\lambda}{T} \nonumber \]

o

\[v_{\mathrm{w}}=f \lambda. \label{1} \]

Esta relación fundamental se mantiene para todo tipo de olas. Para las ondas de agua,\(v_{\mathrm{w}}\) es la velocidad de una onda superficial; para el sonido,\(v_{\mathrm{w}}\) es la velocidad del sonido; y para la luz visible,\(v_{\mathrm{w}}\) es la velocidad de la luz, por ejemplo.

Una nota de precaución con Ecuación\(\eqref{1}\): a pesar de la apariencia, la velocidad de onda no\(v_{\text {w }}\) es una función de la frecuencia ff y la longitud de onda\(\lambda\). Cuando ff cambia (o\(\lambda\) cambia),\(v_{\text {w }}\) no cambia (verá esto explícitamente más adelante con ondas sonoras y de luz). La velocidad de las olas es una propiedad del medio en el que viaja la ola. A menos que el propio medio cambie, la velocidad de las olas se mantiene constante. Esto es cierto para el sonido y las ondas de luz, así como de casi todos los demás tipos de ondas que verás en este libro de texto (ondas de agua, ondas en una cuerda, etc.). Entonces, ¿qué pasa cuando la frecuencia o la longitud de onda cambian, entonces? La longitud de onda de la frecuencia cambia para compensar. Por ejemplo, si la frecuencia se duplica para una onda dada, en lugar de duplicar la velocidad de onda, la longitud de onda disminuirá a la mitad, de manera que el producto\(f \lambda\) permanezca constante.

EXPERIMENTO PARA LLEVAR A CASA: Olas

Llene un tazón grande o recipiente con agua y espere a que el agua se asiente para que no queden ondulaciones. Deja caer suavemente un corcho en el centro del tazón. Estimar la longitud de onda y el período de oscilación de la ola de agua que se propaga lejos del corcho. Retire el corcho del recipiente y espere a que el agua se asiente de nuevo. Deja caer suavemente el corcho a una altura que sea diferente a la primera gota. ¿La longitud de onda depende de qué tan alto por encima del agua se deja caer el corcho?

Calcular la velocidad de propagación de las olas: gaviota en el océano

Calcular la velocidad de ola de la ola oceánica en la Figura\(\PageIndex{2}\) si la distancia entre crestas de ola es de 10.0 m y el tiempo para que una gaviota baje hacia arriba y hacia abajo es de 5.00 s.

Estrategia

Se nos pide que encontremos\(v_{\mathrm{w}}\). La información dada nos dice que\(\lambda=10.0 \mathrm{~m}\) y\(T=5.00 \mathrm{~s}\). Por lo tanto, podemos usar\(v_{\mathrm{w}}=\frac{\lambda}{T}\) para encontrar la velocidad de onda.

Solución

1. Introduzca los valores conocidos en\(v_{\mathrm{w}}=\frac{\lambda}{T}\):

   \[v_{\mathrm{w}}=\frac{10.0 \mathrm{~m}}{5.00 \mathrm{~s}}. \nonumber\]

2. Resuelve\(v_{\mathrm{w}}\) para encontrar\(v_{\mathrm{w}}=2.00 \mathrm{~m} / \mathrm{s}\).

Discusión

Esta velocidad lenta parece razonable para una ola oceánica. Tenga en cuenta que la ola se mueve hacia la derecha en la figura a esta velocidad, no a la velocidad variable a la que la gaviota se mueve hacia arriba y hacia abajo.

Ondas transversales y longitudinales

Una onda simple consiste en una perturbación periódica que se propaga de un lugar a otro. La onda en la Figura\(\PageIndex{3}\) se propaga en la dirección horizontal mientras que la superficie se altera en la dirección vertical. Tal onda se llama onda transversal o onda cortante; en tal onda, la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación. En contraste, en una onda longitudinal u onda compresional, la perturbación es paralela a la dirección de propagación. La figura\(\PageIndex{4}\) muestra un ejemplo de una onda longitudinal. El tamaño de la perturbación es su amplitud\(X\) y es completamente independiente de la velocidad de propagación\(v_{\mathrm{w}}\).

Figura\(\PageIndex{3}\): En este ejemplo de una onda transversal, la onda se propaga horizontalmente, y la perturbación en el cordón es en dirección vertical.

Figura\(\PageIndex{4}\): En este ejemplo de una onda longitudinal, la onda se propaga horizontalmente, y la perturbación en el cordón también se encuentra en la dirección horizontal.

Las ondas pueden ser transversales, longitudinales o una combinación de las dos. (Las olas de agua son en realidad una combinación de transversal y longitudinal. La ola de agua simplificada ilustrada en la Figura no\(\PageIndex{2}\) muestra ningún movimiento longitudinal del ave). Las ondas en las cuerdas de los instrumentos musicales son transversales, al igual que las ondas electromagnéticas, como la luz visible.

Las ondas sonoras en el aire y el agua son longitudinales. Sus alteraciones son variaciones periódicas en la presión que se transmiten en los fluidos. Los fluidos no tienen una resistencia apreciable a la cizalladura, por lo que las ondas sonoras en ellos deben ser longitudinales o compresionales. El sonido en sólidos puede ser tanto longitudinal como transversal.

Figura\(\PageIndex{5}\): La onda en una cuerda de guitarra es transversal. La onda sonora sacude una hoja de papel en una dirección que muestra que la onda sonora es longitudinal.

Las ondas sísmicas bajo la superficie de la Tierra también tienen componentes longitudinales y transversales (llamadas ondas de compresión o P y ondas de cizallamiento u ondas S, respectivamente). Estos componentes tienen características individuales importantes, por ejemplo, se propagan a diferentes velocidades. Los sismos también tienen ondas superficiales que son similares a las olas superficiales en el agua.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Por qué es importante diferenciar entre ondas longitudinales y transversales?

Contestar

En los diferentes tipos de ondas, la energía puede propagarse en una dirección diferente en relación con el movimiento de la ola. Esto es importante para entender cómo los diferentes tipos de olas afectan a los materiales que las rodean.

Resumen de la Sección

• Una ola es una perturbación que se mueve desde el punto de creación con una velocidad de onda\(v_{\mathrm{w}}\).
• Una onda tiene una longitud de onda\(\lambda\), que es la distancia entre partes idénticas adyacentes de la onda.
• La velocidad de onda y la longitud de onda están relacionadas con la frecuencia y el período de la onda por\(v_{\mathrm{w}}=\frac{\lambda}{T}\) o\( v_{\mathrm{w}}=f \lambda \). Sin embargo, la velocidad de onda es una propiedad del medio y permanece constante a medida que cambia la longitud de onda o frecuencia.
• Una onda transversal tiene una perturbación perpendicular a su dirección de propagación, mientras que una onda longitudinal tiene una perturbación paralela a su dirección de propagación.

Glosario

onda longitudinal

una onda en la que la perturbación es paralela a la dirección de propagación

onda transversal

una onda en la que la perturbación es perpendicular a la dirección de propagación

velocidad de onda

la velocidad a la que se mueve la perturbación; también llamada velocidad de onda, velocidad de propagación o velocidad de propagación

longitud de onda

la distancia entre partes idénticas adyacentes de una ola