Embed Size (px)
DESCRIPTION
ONDAS FISICA
Citation preview
Ondas
“Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA
ALUMNOS:
Alcántara Cusco Danny Bazán Dávila Karol Chávez Luna Hillary Vásquez Pérez Guadalupe
DOCENTE: Almilcar Pérez Zelada.
FACULTAD: Ingeniería
ESCUELA: Ingeniería de Minas
CICLO: IV
CURSO: Física II
TRABAJO: Ondas de Sonido, luminosas, sísmicas y Doppler.
CAJAMARCA, NOVIEMBRE DEL 2015
Física II Página 1
Ondas
ONDAS DE SONIDO.
1. INTRODUCCION:
El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en
forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un
fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio
de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que se
producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en
ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La
propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la
forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación
del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio.
La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de
materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de un
medio elástico sólido, líquido o gaseoso. Entre los más comunes se
encuentran el aire y el agua. No se propagan en el vacío, al contrario que
las ondas electromagnéticas. Si las vibraciones se producen en la misma
dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal y
si las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación es
una onda transversal.
La fonética acústica concentra su interés especialmente en los sonidos del
habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir
gráfica o cuantitativamente.
Transmisión del sonido en un fluido. Se produce una onda de presión por compresión, que hace que el resto de las partículas se compriman entre ellas.
Física II Página 2
Ondas
2. FISICA DEL SONIDO.
La física del sonido es estudiada por la acústica, que trata tanto de la
propagación de las ondas sonoras en los diferentes tipos de medios
continuos como la interacción de estas ondas sonoras con los cuerpos
físicos.
2.1. Propagación del sonido.
Ciertas características de los fluidos y de los sólidos influyen en la
onda de sonido. Es por eso que el sonido se propaga en los sólidos y
en los líquidos con mayor rapidez que en los gases.
En los gases, la temperatura influye tanto la compresibilidad como la
densidad, de tal manera que un factor de suma importancia es la
temperatura del medio de propagación.
La propagación del sonido está sujeta a algunos condicionantes. Así
la transmisión de sonido requiere la existencia de un medio material
donde la vibración de las moléculas es percibida como una onda
sonora. En la propagación en medios compresibles como el aire, la
propagación implica que en algunas zonas las moléculas de aire, al
vibrar se juntan (zonas de compresión) y en otras zonas se alejan
(zonas de rarefacción), esta alteración de distancias entre las
moléculas de aire es lo que produce el sonido. La velocidad de
propagación de las ondas sonoras en un medio depende de la
distancia promedio entre las partículas. En el vacío no puede
propagarse el sonido, nótese que por tanto las explosiones
realmente no son audibles en el espacio exterior.
Las ondas sonoras se producen cuando un cuerpo vibra
rápidamente. La frecuencia es el número de vibraciones u
oscilaciones completas que efectúan por segundo. Los sonidos
producidos son audibles por un ser humano promedio si la
Física II Página 3
Ondas
frecuencia de oscilación está comprendida entre 20 Hz y 20000 Hz.
Por encima de esta última frecuencia se tiene un ultrasonido no
audible por los seres humanos. La intensidad de un sonido está
relacionada con el cuadrado de la amplitud de presión de la onda
sonora. Un sonido grave corresponde a onda sonora con frecuencia
baja mientras que los sonidos agudos se corresponden con
frecuencias más altas.
Onda sinusoidal; Variación de frecuencia; Abajo podemos
ver las frecuencias más altas.
2.2. Periodo y Frecuencia.
Si representamos gráficamente una oscilación cualquiera, se llama
período (T) al tiempo que se tarda en realizar un ciclo completo. Se
mide en segundos (s).
La frecuencia (f) es el número de ciclos que se realizan en un
segundo. Es, por tanto, la inversa del período:
f = 1 / T
Se mide en ciclos por segundo (cps), que se denomina normalmente
hercios (Hz).
Física II Página 4
Ondas
2.3. Velocidad del sonido.
La velocidad de propagación (c) del sonido es la velocidad con que
se desplazan las ondas sonoras. Su dirección es perpendicular a la
superficie vibrante bajo forma de ondas. Dentro de unos grandes
límites, esta velocidad es independiente de la magnitud de la presión
acústica.
Esta velocidad guarda la siguiente relación con la longitud de onda y
con el período:
Velocidad = Distancia recorrida / tiempoc = λ / T = λ * 1 / T
Pero como f = 1 / T resulta que:
c = λ * f
NOTA:
EE.UU. marina de
guerra F / A-18
acercándose a la
barrera del sonido. El
halo blanco está
formado por gotas de
agua condensada que
Física II Página 5
Ondas
se cree que el resultado de una caída en la presión de aire alrededor de la
aeronave.
EFECTO DOPPLER.
1. INTRODUCCION.
El efecto Doppler es la variación de la frecuencia de una onda producida
por un móvil respecto de un receptor estático o en movimiento. Es utilizado
para medir flujos sanguíneos en medicina (ecografía Doppler), movimientos
de expansión de galaxias en astronomía (cambios Doppler) e incluso
velocidades de vehículos.
El efecto Doppler es la base física sobre la que funcionan los radares
de velocidad, denominados radares Doppler.
El efecto Doppler, llamado así por el físico austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producido por el
movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. Doppler propuso
este efecto en 1842 en su tratado Über das farbige Licht der Doppelsterne
und einige andere Gestirne des Himmels (Sobre el color de la luz en
estrellas binarias y otros astros).
2. ¿PORQUE SE PRODUCE EL EFECTO DOPPLER?
La fuente de sonido se acerca al receptor: cuando el coche va acercándose
al receptor, las ondas sonoras se comprimen como un muelle produciendo
una distancia entre crestas muy pequeñas (disminuye la longitud de onda).
Como hemos dicho, cuando sucede esto, la frecuencia aumenta y el sonido
se percibe más agudo.
La fuente de sonido se aleja del receptor: cuando el coche se aleja, las
ondas sonoras se alargan, produciendo longitudes de ondas grandes,
frecuencias pequeñas y por lo tanto sonidos más graves.
Física II Página 6
Ondas
3.
APLICACIONES DEL EFECTO DOPPLER.
Entre sus muchas aplicaciones, caben destacar las siguientes:
3.1. El radar
Una de sus aplicaciones más importantes es la del radar (sistema
electrónico que permite detectar objetos fuera del alcance de la vista y
determinar la distancia a que se encuentran proyectando sobre ellos ondas
de radio.) El radar Doppler, que se utiliza a menudo para medir la velocidad
de objetos como un coche o una pelota, transmite con una frecuencia
constante. Las señales reflejadas por objetos en movimiento respecto a la
antena presentarán distintas frecuencias a causa del efecto Doppler.
Física II Página 7
Ondas
3.2. La Ecocardiografía.
El efecto Doppler ha adquirido en los últimos años una extraordinaria
importancia en el estudio morfológico y funcional cardíaco tanto en sujetos
sanos como en aquellos con enfermedades cardíacas. Esto se debe a que
esta técnica, que está basada en la emisión y recepción de ultrasonidos,
presenta considerables ventajas respecto a otros procedimientos.
Los ultrasonidos son ondas sonoras de muy alta frecuencia que avanzan
según los principios de las ondas mecánicas, es decir, sufren fenómenos de
atenuación, dispersión y reflexión ("rebote") dependiendo de las
propiedades físicas de las estructuras que encuentran a su paso. Estas
propiedades son aprovechadas para estudiar estructuras situadas en el
interior del cuerpo, de tal manera que emitiendo un haz de ultrasonidos
sobre la superficie (por ejemplo, del tórax), éste se refleja al chocar con
estructuras del interior que no puede atravesar (las estructuras cardíacas),
pudiendo recogerse estas señales a través del mismo instrumento utilizado
para su emisión. Un aspecto esencial de esta técnica es que es inocua.
Hasta la fecha no se conocen efectos nocivos sobre el organismo de la
aplicación de ultrasonidos dentro del rango de frecuencias utilizado para el
diagnóstico ecográfico.
Física II Página 8
Ondas
3.3. En Astrofísica
El efecto Doppler ha permitido numerosos avances en astrofísica, por
ejemplo para determinar la estructura de las galaxias y la presencia de
materia oscura, el estudio de estrellas dobles, el estudio de estrellas dobles
o para medir los movimientos de las estrellas y de las galaxias. Esto último,
por decirlo de alguna forma, se consigue observando el color de las
galaxias y cuerpos estelares, pues la luz, al igual que el sonido, es una
onda cuya frecuencia a la que la percibimos puede variar en función del
movimiento.
NOTA:
Los murciélagos lo emplean para
detectar y cazar a un insecto en
pleno vuelo. Cuando el insecto se
mueve más rápidamente que el
murciélago, la frecuencia reflejada
Física II Página 9
Ondas
es menor, pero si el murciélago se está acercando al insecto, la frecuencia
reflejada es mayor.
ONDAS LUMINOSAS.
LUZ: Se llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación electromagnética
que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz se usa en un
sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como
espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala
específicamente la radiación en el espectro visible.
1. TEORIA ONDULATORIA.
Esta teoría, desarrollada por Christian Huygens, considera que la luz es una
onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el
tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los
campos eléctricos variables generan campos magnético y los campos
magnéticos variables generan campos eléctricos. De esta forma, la onda se
auto propaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos
y eléctricos generándose continuamente. Estas ondas electromagnéticas
son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares
entre sí y respecto a la dirección de propagación. Dada su naturaleza estas
señales no requieren de ningún medio para desplazarse sino que pueden
hacerlo en el vacío, esto hace posible que la luz del sol y otras estrellas
lleguen a nosotros y que podamos comunicarnos con satélites que se
encuentran muy lejanos en el sistema solar usando señales de radio
Física II Página 10
Ondas
La velocidad depende del medio en el que se desplazan, siendo la máxima
la que alcanzan en el vacío: 3 x 108 m/s = 300000 km/s, en el aire se
considera que, a todos los fines prácticos, tiene el mismo valor. (Esta
velocidad es una constante universal y en consecuencia tiene un símbolo
propio que la representa: C).
La sensibilidad del ojo no es la mima para todas las longitudes de onda, la
figura 11 muestra dos curvas de sensibilidad (respuesta en frecuencia), una
para luz diurna y otra para luz nocturna (esta diferencia se debe a que los
mecanismos utilizados para la visión son diferentes), la máxima sensibilidad
para luz diurna se produce con longitudes de onda de aproximadamente
5,6x10-7m, esto se corresponde con un color próximo al amarillo o amarillo
verdoso.
Física II Página 11
Ondas
ONDAS SISMICAS.
1. INTRODUCCION.
Si desplazamos un diapasón de su posición de equilibrio y lo soltamos
repentinamente, percibimos su sonido característico. Lo mismo sucede
en la Tierra, un sismo consiste precisamente en la liberación repentina
de los esfuerzos impuestos al terreno. De esta manera, la tierra es
puesta en vibración. Esta vibración es debida a la propagación de ondas
como en el caso del diapasón.
En un terremoto se transmiten ondas que viajan por el interior de la
tierra. Siguen caminos curvos debido a la variada densidad y
composición del interior de la Tierra. Este efecto es similar al de la
refracción de ondas de luz. A este tipo de ondas se llaman ondas
internas, centrales o de cuerpo, transmiten los temblores preliminares de
un terremoto pero poseen poco poder destructivo. Las ondas de cuerpo
son divididas en dos grupos: ondas primarias (P) y secundarias (S).
También se propagan ondas por la superficie. Son las que más tardan
en llegar. Debido a su baja frecuencia provocan resonancia en edificios
con mayor facilidad que las ondas de cuerpo causando los efectos más
devastadores. Hay ondas superficiales de dos tipos: de Rayleigh y de
Love.
Física II Página 12
Ondas
2. ONDAS INTERNAS.
Las ondas internas viajan a través del interior. Siguen caminos curvos
debido a la variada densidad y composición del interior de la Tierra. Este
efecto es similar al de refracción de ondas de luz. Las ondas internas
transmiten los temblores preliminares de un terremoto pero poseen poco
poder destructivo. Las ondas internas son divididas en dos grupos:
ondas primarias (P) y secundarias (S).
Ondas P
Onda P plana longitudinal.
Las ondas P (primarias o primae del verbo griego) son ondas longitudinales o
compresionales, lo cual significa que el suelo es alternadamente comprimido y
dilatado en la dirección de la propagación. Estas ondas generalmente viajan a una
velocidad 1.73 veces de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de
material líquido o sólido. Velocidades típicas son 1450m/s en el agua y cerca de
5000m/s en el granito.
En un medio isótropo y homogéneo la velocidad de propagación de las ondas P
es:
Física II Página 13
Ondas
Donde K es el módulo de compresibilidad, es el módulo de corte o rigidez y la
densidad del material a través del cual se propaga la onda mecánica. De estos
tres parámetros, la densidad es la que presenta menor variación por lo que la
velocidad está principalmente determinada por K y μ.
Ondas P de segunda especieDe acuerdo a la teoría de Biot, en el caso de medios porosos saturados por un
fluido, las perturbaciones sísmicas se propagarán en forma de una onda rotacional
(Onda S) y dos compresionales. Las dos ondas compresionales se suelen
denominar como ondas P de primera y segunda especie. Las ondas de presión de
primera especie corresponden a un movimiento del fluido y del sólido en fase,
mientras que para las ondas de segunda especie el movimiento del sólido y del
fluido se produce fuera de fase. Biot demuestra que las ondas de segunda especie
se propagan a velocidades menores que las de primera especie, por lo que se las
suele denominar ondas lenta y rápida de Biot, respectivamente. Las ondas lentas
son de naturaleza disipativa y su amplitud decae rápidamente con la distancia
hacia la fuente.
Ondas S
Física II Página 14
Ondas
Onda de corte Plana.
Las ondas S (secundarias o secundae) son ondas en las cuales el
desplazamiento es transversal a la dirección de propagación. Su velocidad es
menor que la de las ondas primarias. Debido a ello, éstas aparecen en el terreno
algo después que las primeras. Estas ondas son las que generan las oscilaciones
durante el movimiento sísmico y las que producen la mayor parte de los daños.
Solo se trasladan a través de elementos sólidos.
La velocidad de propagación de las ondas S en medios isótropos y homogéneos
depende del módulo de corte y de la densidad del material.
Ondas Primarias (P)
Las ondas P (PRIMARIAS) son ondas longitudinales, lo cual significa que
el suelo es alternadamente comprimido y dilatado en la dirección de la
propagación. Estas ondas generalmente viajan a una velocidad 1.73 veces
de las ondas S y pueden viajar a través de cualquier tipo de material.
Velocidades típicas son 330m/s en el aire, 1450m/s en el agua y cerca de
5000m/s en el granito.
Física II Página 15
Ondas
Ondas Secundarias (S)
Las ondas S (SECUNDARIAS) son ondas transversales o de corte, lo
cual significa que el suelo es desplazado perpendicularmente a la dirección
de propagación, alternadamente hacia un lado y hacia el otro. Las ondas S
pueden viajar únicamente a través de sólidos debido a que los líquidos no
pueden soportar esfuerzos de corte. Su velocidad es alrededor de 58% la de
una onda P para cualquier material sólido. Usualmente la onda S tiene
mayor amplitud que la P y se siente más fuerte que ésta.
ONDAS SUPERFICIALESCuando las ondas internas llegan a la superficie, se generan las ondas L, que se
propagan por la superficie de discontinuidad de la interface de la superficie
Física II Página 16
Ondas
terrestre (tierra-aire y tierra-agua). Son las causantes de los daños producidos por
los sismos en las construcciones. Estas ondas son las que poseen menor
velocidad de propagación a comparación de las otras dos.
Ondas de Rayleigh
Cuando un sólido posee una superficie libre, como la superficie de la
tierra, pueden generarse ondas que viajan a lo largo de la superficie. Estas
ondas tienen su máxima amplitud en la superficie libre, la cual decrece
exponencialmente con la profundidad, y son conocidas como ondas de
Rayleigh en honor al científico que predijo su existencia. La trayectoria que
describen las partículas del medio al propagarse la onda es elíptica
retrógrada y ocurre en el plano de propagación de la onda. Una analogía de
estas ondas lo constituyen las ondas que se producen en la superficie del
agua.
Física II Página 17
Ondas
Ondas de Love
Las ondas Love son las que provocan cortes horizontales en la tierra.
Otro tipo de ondas superficiales son ondas de Love llamadas así en honor
del científico que las estudió. Estas se generan sólo cuando un medio
Física II Página 18
Ondas
elástico se encuentra estratificado, situación que se cumple en nuestro
planeta pues se encuentra formado por capas de diferentes características
físicas y químicas. Las ondas de Love se propagan con un movimiento de
las partículas, perpendicular a la dirección de propagación, como las ondas
S, sólo que polarizadas en el plano de la superficie de la Tierra, es decir sólo
poseen la componente horizontal a la superficie. Las ondas de Love pueden
considerarse como ondas S "atrapadas" en la superficie. Como para las
ondas de Rayleigh, la amplitud de las mismas decrece rápidamente con la
profundidad. En general su existencia se puede explicar por la presencia del
vacío o un medio de menor rigidez, tiende a compensar la energía
generando este tipo especial de vibraciones.
Velocidad de las Ondas
Se puede demostrar teóricamente y se observa experimentalmente que la
velocidad de las ondas es tal que: VR, L < Vs < Vp. Donde Vp, Vs y VR, L son
las velocidades de las ondas P, S y de Rayleigh y Love respectivamente.
Entre estas dos últimas no puede establecerse un orden de velocidades
porque esta depende de muchos factores y no siempre viajan con la misma
velocidad.
Física II Página 19
Ondas
Las velocidades de las diferentes ondas dependen de las características
del medio; por ejemplo, en rocas ígneas la velocidad de las ondas P es del
orden de 6 Km/s, mientras que en rocas poco consolidadas es de
aproximadamente 2 Km/s o menor.
La secuencia típica de un terremoto es: primero el arribo de un ruido
sordo causado por las ondas ("P"), luego las ondas ("S") y finalmente el
"retumbar" de la tierra causado por las ondas superficiales.
Física II Página 20
![10. ONDAS Y SONIDO[1]](https://img.dokumen.tips/doc/110x75/5695d0a01a28ab9b02933bc6/10-ondas-y-sonido1.jpg)