Puedes imaginar lo que son las ondas mecánicas tirando una piedra al agua. Los círculos que aparecen en él y que alternan valles y crestas son un ejemplo de ondas mecánicas. ¿Cuál es su esencia? Las ondas mecánicas son el proceso de propagación de vibraciones en medios elásticos.
Ondas en superficies líquidas
Tales ondas mecánicas existen debido a la influencia de las fuerzas intermoleculares y la gravedad sobre las partículas de un líquido. La gente ha estado estudiando este fenómeno durante mucho tiempo. Los más notables son el océano y las olas del mar. A medida que aumenta la velocidad del viento, cambian y su altura aumenta. La forma de las propias olas también se vuelve más complicada. En el océano, pueden alcanzar proporciones aterradoras. Uno de los ejemplos más claros de fuerza es el tsunami que arrasa con todo lo que encuentra a su paso.
Energía de las olas del mar y del océano
Al llegar a la orilla, las olas del mar aumentan con un cambio brusco de profundidad. A veces alcanzan una altura de varios metros. En esos momentos, la energía cinética de una masa colosal de agua se transfiere a los obstáculos costeros, que se destruyen rápidamente bajo su influencia. La fuerza del oleaje alcanza a veces valores grandiosos.
Ondas elásticas
En mecánica no solo se estudian las vibraciones en la superficie de un líquido, sino también las llamadas ondas elásticas. Son perturbaciones que se propagan en diferentes medios bajo la acción de fuerzas elásticas en los mismos. Tal perturbación es cualquier desviación de las partículas de un medio dado de la posición de equilibrio. Un buen ejemplo de ondas elásticas es una cuerda larga o un tubo de goma unido a algo en un extremo. Si lo tira con fuerza y luego crea una perturbación en su segundo extremo (no fijo) con un movimiento lateral brusco, puede ver cómo "corre" a lo largo de toda la longitud de la cuerda hasta el soporte y se refleja hacia atrás.
Fuente de ondas mecánicas
La perturbación inicial provoca la aparición de una onda en el medio. Es causada por la acción de algún cuerpo extraño, que en física se llama fuente de la onda. Puede ser la mano de una persona que balancea una cuerda o una piedra arrojada al agua. En el caso de que la acción de la fuente sea de corta duración, a menudo aparece una onda solitaria en el medio. Cuando el “perturbador” realiza largos movimientos oscilatorios, comienzan a aparecer ondas una tras otra.
Condiciones para la aparición de ondas mecánicas
Este tipo de oscilación no siempre se forma. Una condición necesaria para su aparición es la existencia en el momento de la perturbación del medio de fuerzas que lo impidan, en particular, la elasticidad. Tienden a acercar las partículas vecinas cuando se separan y las alejan unas de otras cuando se acercan. Fuerzas elásticas que actúan sobre distancias defuente de perturbación de la partícula, comienzan a desequilibrarlas. Con el tiempo, todas las partículas del medio están involucradas en un movimiento oscilatorio. La propagación de tales oscilaciones es la onda.
Ondas mecánicas en un medio elástico
En una onda elástica, hay 2 tipos de movimiento simultáneamente: oscilaciones de partículas y propagación de perturbaciones. Una onda longitudinal es una onda mecánica cuyas partículas oscilan a lo largo de la dirección de su propagación. Una onda transversal es una onda cuyas partículas medias oscilan en la dirección de su propagación.
Propiedades de las ondas mecánicas
Las perturbaciones en una onda longitudinal son rarefacción y compresión, y en una onda transversal son cambios (desplazamientos) de algunas capas del medio con respecto a otras. La deformación por compresión va acompañada de la aparición de fuerzas elásticas. En este caso, la deformación por cortante está asociada a la aparición de fuerzas elásticas exclusivamente en los sólidos. En medios gaseosos y líquidos, el desplazamiento de las capas de estos medios no va acompañado de la aparición de la citada fuerza. Debido a sus propiedades, las ondas longitudinales pueden propagarse en cualquier medio, mientras que las ondas transversales solo pueden propagarse en sólidos.
Características de las ondas en la superficie de los líquidos
Las ondas en la superficie de un líquido no son ni longitudinales ni transversales. Tienen un carácter más complejo, llamado longitudinal-transversal. En este caso, las partículas de fluido se mueven en un círculo oa lo largo de elipses alargadas. Los movimientos circulares de las partículas en la superficie de un líquido, y especialmente durante las grandes oscilaciones, van acompañados de su movimiento lento pero continuo.moviéndose en la dirección de propagación de la onda. Son estas propiedades de las ondas mecánicas en el agua las que causan la aparición de varios mariscos en la orilla.
Frecuencia de onda mecánica
Si en un medio elástico (líquido, sólido, gaseoso) se excita la vibración de sus partículas, entonces, debido a la interacción entre ellas, se propagará con una velocidad u. Entonces, si un cuerpo oscilante se encuentra en un medio gaseoso o líquido, su movimiento comenzará a transmitirse a todas las partículas adyacentes. Involucrarán a los siguientes en el proceso y así sucesivamente. En este caso, absolutamente todos los puntos del medio comenzarán a oscilar con la misma frecuencia, igual a la frecuencia del cuerpo oscilante. Es la frecuencia de la onda. En otras palabras, este valor se puede caracterizar como la frecuencia de oscilación de los puntos del medio donde se propaga la onda.
Es posible que no quede claro de inmediato cómo ocurre este proceso. Las ondas mecánicas están asociadas con la transferencia de energía del movimiento oscilatorio desde su fuente hasta la periferia del medio. Como resultado, surgen las llamadas deformaciones periódicas, que son llevadas por la onda de un punto a otro. En este caso, las partículas del medio mismo no se mueven junto con la onda. Oscilan cerca de su posición de equilibrio. Por eso la propagación de una onda mecánica no va acompañada del traslado de materia de un lugar a otro. Las ondas mecánicas tienen diferentes frecuencias. Por lo tanto, se dividieron en rangos y crearon una escala especial. La frecuencia se mide en hercios (Hz).
Fórmulas básicas
Las ondas mecánicas, cuyas fórmulas de cálculo son bastante sencillas, son un objeto interesante de estudio. La velocidad de la onda (υ) es la velocidad de su movimiento frontal (el lugar geométrico de todos los puntos a los que ha llegado la oscilación del medio en ese momento):
υ=√G/ ρ, donde ρ es la densidad del medio, G es el módulo de elasticidad.
Al calcular, no confunda la velocidad de una onda mecánica en un medio con la velocidad de movimiento de las partículas del medio que están involucradas en el proceso ondulatorio. Así, por ejemplo, una onda sonora en el aire se propaga con una velocidad de vibración media de sus moléculas de 10 m/s, mientras que la velocidad de una onda sonora en condiciones normales es de 330 m/s.
El frente de onda se presenta de muchas formas, las más sencillas son:
• Esférico: causado por fluctuaciones en un medio gaseoso o líquido. En este caso, la amplitud de la onda disminuye con la distancia desde la fuente en proporción inversa al cuadrado de la distancia.
• Plano - es un plano que es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Ocurre, por ejemplo, en un cilindro de pistón cerrado cuando oscila. Una onda plana se caracteriza por una amplitud casi constante. Su ligera disminución con la distancia desde la fuente de perturbación está asociada con el grado de viscosidad del medio gaseoso o líquido.
Longitud de onda
Bajo la longitud de onda se entiende la distancia que recorrerá su frente en el tiempo quees igual al periodo de oscilación de las partículas del medio:
λ=υT=υ/v=2πυ/ ω, donde T es el período de oscilación, υ es la velocidad de onda, ω es la frecuencia cíclica, ν es la frecuencia de oscilación de los puntos medios.
Dado que la velocidad de propagación de una onda mecánica depende completamente de las propiedades del medio, su longitud λ cambia durante la transición de un medio a otro. En este caso, la frecuencia de oscilación ν siempre permanece igual. Las ondas mecánicas y electromagnéticas son similares en que cuando se propagan, se transfiere energía, pero no se transfiere materia.
