Ondas - Física 1º Medio

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### Introducción a las Ondas Las ondas son perturbaciones que se propagan a través de un medio o el espacio, transportando energía pero no materia. Son fundamentales para entender fenómenos como la luz, el sonido y las comunicaciones. #### Conceptos Clave - **Amplitud (A):** Es la máxima elongación o desplazamiento de las partículas del medio desde su posición de equilibrio. Se mide en metros (m). - **Longitud de Onda ($\lambda$):** Es la distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración (ej. dos crestas o dos valles). Se mide en metros (m). - **Frecuencia (f):** Es el número de ciclos o vibraciones completas que ocurren en un segundo. Se mide en Hertz (Hz). - **Período (T):** Es el tiempo que tarda una onda en completar un ciclo o vibración. Se mide en segundos (s). Es el inverso de la frecuencia ($T = 1/f$). - **Velocidad de Propagación (v):** Es la rapidez con la que la onda se desplaza a través del medio. Se mide en metros por segundo (m/s). ### Tipos de Ondas #### 1. Según el Medio de Propagación #### Ondas Mecánicas Necesitan un medio material (sólido, líquido o gas) para propagarse. No se propagan en el vacío. - **Ejemplos:** - Sonido (se propaga en el aire, agua, sólidos). - Ondas en el agua. - Ondas sísmicas. #### Ondas Electromagnéticas No necesitan un medio material para propagarse, pueden hacerlo en el vacío. Son perturbaciones de campos eléctricos y magnéticos. - **Ejemplos:** - Luz visible. - Ondas de radio y TV. - Rayos X. - Microondas. - Rayos gamma. #### 2. Según la Dirección de Vibración #### Ondas Transversales Las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. - **Ejemplos:** - Ondas en una cuerda. - Ondas de luz (todas las ondas electromagnéticas son transversales). - Ondas en el agua (en la superficie). #### Ondas Longitudinales Las partículas del medio vibran en la misma dirección de propagación de la onda (paralelamente). - **Ejemplos:** - Ondas sonoras (el sonido es una onda longitudinal). - Ondas en un resorte (compresión y expansión). ### Interferencia de Ondas La interferencia ocurre cuando dos o más ondas se encuentran en el mismo punto del espacio al mismo tiempo. El resultado es una nueva onda cuya amplitud es la suma (o resta) de las amplitudes de las ondas originales. #### Interferencia Constructiva Ocurre cuando dos ondas se superponen en fase (cresta con cresta o valle con valle), resultando en una onda de mayor amplitud. La energía se suma. #### Interferencia Destructiva Ocurre cuando dos ondas se superponen en oposición de fase (cresta con valle), resultando en una onda de menor amplitud o incluso anulándose si las amplitudes son iguales. La energía se resta. ### Velocidad de Propagación de una Onda La velocidad de una onda (v) está relacionada con su longitud de onda ($\lambda$) y su frecuencia (f) mediante la siguiente fórmula: $$\boxed{v = \lambda \cdot f}$$ Donde: - $v$ = Velocidad de propagación (m/s) - $\lambda$ = Longitud de onda (m) - $f$ = Frecuencia (Hz) También podemos expresar la velocidad en términos del período (T), ya que $f = 1/T$: $$\boxed{v = \frac{\lambda}{T}}$$ La velocidad de una onda depende exclusivamente del medio en el que se propaga. #### Ejercicios Resueltos **Ejercicio 1:** Una onda sonora tiene una frecuencia de 440 Hz y una longitud de onda de 0.77 metros. ¿Cuál es su velocidad de propagación? **Datos:** $f = 440 \, \text{Hz}$ $\lambda = 0.77 \, \text{m}$ **Fórmula:** $v = \lambda \cdot f$ **Cálculo:** $v = 0.77 \, \text{m} \cdot 440 \, \text{Hz}$ $v = 338.8 \, \text{m/s}$ **Respuesta:** La velocidad de propagación de la onda sonora es de $338.8 \, \text{m/s}$. **Ejercicio 2:** Una onda en el agua se propaga a una velocidad de $2 \, \text{m/s}$ y tiene un período de $0.5 \, \text{s}$. ¿Cuál es su longitud de onda? **Datos:** $v = 2 \, \text{m/s}$ $T = 0.5 \, \text{s}$ **Fórmula (despejando $\lambda$):** Sabemos que $v = \lambda / T$, entonces $\lambda = v \cdot T$ **Cálculo:** $\lambda = 2 \, \text{m/s} \cdot 0.5 \, \text{s}$ $\lambda = 1 \, \text{m}$ **Respuesta:** La longitud de onda de la onda en el agua es de $1 \, \text{m}$. **Ejercicio 3:** La luz roja tiene una longitud de onda de aproximadamente $700 \, \text{nm}$ ($700 \times 10^{-9} \, \text{m}$) y viaja en el vacío a una velocidad de $3 \times 10^8 \, \text{m/s}$. ¿Cuál es su frecuencia? **Datos:** $\lambda = 700 \times 10^{-9} \, \text{m}$ $v = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}$ **Fórmula (despejando f):** Sabemos que $v = \lambda \cdot f$, entonces $f = v / \lambda$ **Cálculo:** $f = \frac{3 \times 10^8 \, \text{m/s}}{700 \times 10^{-9} \, \text{m}}$ $f \approx 4.28 \times 10^{14} \, \text{Hz}$ **Respuesta:** La frecuencia de la luz roja es aproximadamente $4.28 \times 10^{14} \, \text{Hz}$. ### Ejercicios Propuestos 1. Una onda de radio AM tiene una frecuencia de $1000 \, \text{kHz}$ (kiloHertz). Si la velocidad de las ondas de radio en el aire es de $3 \times 10^8 \, \text{m/s}$, ¿cuál es su longitud de onda? (Recuerda: $1 \, \text{kHz} = 1000 \, \text{Hz}$) 2. Un buque emite un pulso de sonar que viaja a través del agua a una velocidad de $1500 \, \text{m/s}$. Si el pulso tiene una longitud de onda de $0.75 \, \text{m}$, ¿cuál es su frecuencia? 3. Un terremoto genera ondas sísmicas que viajan a $5000 \, \text{m/s}$. Si un sismógrafo detecta una de estas ondas con un período de $0.2 \, \text{s}$, ¿cuál es la longitud de onda de esta onda sísmica? 4. Una persona grita en una cueva y el eco regresa después de $0.5 \, \text{s}$. Si la velocidad del sonido en el aire es de $340 \, \text{m/s}$, ¿a qué distancia se encuentra la pared de la cueva? (Considera que el sonido va y vuelve). 5. Una onda en una cuerda vibra con una frecuencia de $50 \, \text{Hz}$. Si la distancia entre dos crestas consecutivas es de $0.8 \, \text{m}$, ¿cuál es la velocidad de propagación de la onda en la cuerda? 6. ¿Cuál es el período de una onda de luz verde que tiene una longitud de onda de $550 \, \text{nm}$ ($550 \times 10^{-9} \, \text{m}$) si viaja en el vacío a $3 \times 10^8 \, \text{m/s}$? ### Preguntas Conceptuales 1. Explica con tus propias palabras la diferencia principal entre una onda mecánica y una onda electromagnética. Da un ejemplo de cada una que no haya sido mencionado anteriormente. 2. ¿Por qué se dice que las ondas transportan energía pero no materia? Describe un ejemplo práctico. 3. Imagina que estás observando una ola en el mar. ¿Cómo podrías identificar la amplitud y la longitud de onda de esa ola? 4. Si la frecuencia de una onda aumenta, ¿qué sucede con su período? Justifica tu respuesta utilizando la relación matemática entre ambos. 5. Describe la diferencia entre una onda transversal y una onda longitudinal. ¿Qué tipo de onda es el sonido y por qué? 6. Dos ondas idénticas se encuentran en el mismo punto. Si el resultado es una onda de mayor amplitud, ¿qué tipo de interferencia ocurrió? Si el resultado es una onda de menor o nula amplitud, ¿qué tipo de interferencia fue? 7. Un rayo de luz pasa del aire al agua. ¿Cambia su velocidad? ¿Cambia su frecuencia? ¿Cambia su longitud de onda? Explica tu razonamiento. 8. ¿Qué pasaría si intentaras transmitir sonido en el vacío? ¿Por qué? 9. ¿Cómo se relacionan la velocidad de una onda, su longitud de onda y su frecuencia? Escribe la fórmula y explica qué significa cada variable. 10. Piensa en un ejemplo de tu vida diaria donde puedas observar los conceptos de ondas. Descríbelo brevemente y menciona qué elementos de las ondas identificas en él.