Una onda mecánica es una perturbación tensional que se propaga a lo largo de un medio material para propagarse. El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica, que en los fluidos se propaga como onda longitudinal de presión. Los terremotos, por otra parte, se modelizan como ondas elásticas que se propagan por el terreno.
Las ondas mecánicas estudiadas requieren de alguna fuente de perturbación, un medio que pueda perturbarse y cierta conexión físisca por medio de la cual partes adyacentes del medio pueden afectarse entre si. Encontraremos que todas ransportan energia: la cantidad de enrgía transmitida por un medio y el mecanismo responsable de ese transporte de energía difiere de un caso a otro.
Tre caracteristicas físicas son importantes en la descripción de las ondas: la longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de onda.
Una longitud de onda es la distancia mínima entre dos puntos cualesquiera sobre una ronda que se comporta idénticamente.
La mayor perte de las ondas son periódicas y la frecuencia de dichas ondas es la tasa en el tiempo a la cual la perturbación se repite así misma.
Las ondas viajan con una velocidad específica la cual depende de las propiedades del medio perturbado.
Tipos de ondas:
Una manera de demostrar el movimiento oscilatorio es sacudir el extremo de una larga cuerda que está bajo tensión y que tiene su extremo opuesto fijo; de esta manera, una sola protuberancia de onda se forma y viaja con una velocidad definida la cual recibe el nombre de onda viajera.
A medida que el pulso se propaga, cada segmento de la cuerda que se ha perturbado s muevan perpendiculares al movimiento de la onda.
Una onda viajera que cause que las partículas del medio perturbado se muevan perpendiculares al movimiento de la onda se conoce como onda transversal.
Una onda viajera que ocasiona que las partículas del medio se muevan paralelas a la dirección del movimiento ondulatorio se conoce como onda longitudinal.
Las ondas en la superficie del agua son un buen ejemplo. Cuando una onda se propaga sobre la superficie se mueven casi en trayectorias circuncidas, donde la superficie es como una serie de crestas y valles. Las perturbaciones tiene componentes transversales como longitudinales. A medida que la onda pasa, las moléculas de agua en la cresta se mueven en dirección de la onda y las moléculas en los valles se mueven en la dirección opuesta. Puesto que la molécula en la cresta pronto estará en un valle su movimiento en la dirección opuesta.
Ondas viajeras unidimensionales:
El desplazamiento máximo de la cuerda, A, recibe el nombre de amplitud de la onda.
Si la forma de pulso de la onda no cambia con el tiempo podemos representar al desplazamiento y de la cuerda para todos los tiempos ulteriores medidos en un marco de referencia estacionario con el origen en 0 como
Y = f(x - vt)
Ondas Transversales y longitudinales
Imaginémonos ahora una cuerda larga y elástica. Si en un extremo le proporcionamos una sacudida brusca perpendicular a la propia cuerda, originamos una perturbación que se va propagando a cierta velocidad hacia el otro extremo. No hay ningún trozo de cuerda que se desplace a esa velocidad, es la energía y la cantidad de movimiento la que se desplaza a través de la cuerda sin que la transporte ningún objeto. Igualmente, si a un muelle largo le aplicamos una serie de sacudidas en un extremo, originamos oscilaciones que se propagan a través de él. Como se aprecia en todos estos ejemplos, en el estudio de la propagación de las ondas debemos distinguir dos movimientos diferentes: el movimiento de la propia onda a través del espacio y el movimiento originado por la perturbación que se propaga. Es decir, entre el movimiento de la ola y el del agua, entre el desplazamiento de la sacudida a lo largo de la cuerda y el movimiento perpendicular de los trozos de cuerda cuando los alcanza la sacudida, entre la propagación de las oscilaciones a lo largo del muelle y las propias oscilaciones de las espiras.
Onda longitudinal
Propagación de una onda.
Propagación de una onda.
Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto.
La figura ilustra el caso de una onda sonora. Si imaginamos un foco puntual generador del sonido, los frentes de onda (en rojo) se desplazan alejándose del foco, transmitiendo el sonido a través del medio de propagación, por ejemplo aire.
Por otro lado, cada partícula de un frente de onda cualquiera oscila en dirección de la propagación, esto es, inicialmente es empujada en la dirección de propagación por efecto del incremento de presión provocado por el foco, retornando a su posición anterior por efecto de la disminución de presión provocada por su desplazamiento. De este modo, las consecutivas capas de aire (frentes) se van empujando unas a otras transmitiendo el sonido.
Onda transversal
Manteniendo una traza comparamos la magnitud del desplazamiento en instantes sucesivos y se aprecia el avance de la onda. Transcurrido un tiempo la persistencia de la traza muestra como todos los puntos pasan por todos los estados de vibración.
Sin embargo para conocer como cambia el desplazamiento con el tiempo resulta más práctico observar otra gráfica que represente el movimiento de un punto. Los puntos en fase con el seleccionado vibran a la vez y están separados por una longitud de onda. La velocidad con que se propaga la fase es el cociente entre esa distancia y el tiempo que tarda en llegar. Cualquier par de puntos del medio en distinto estado de vibración están desfasados y si la diferencia de fase es 90º diremos que están oposición. En este caso los dos puntos tienen siempre valor opuesto del desplazamiento como podemos apreciar en el registro temporal. Este tipo de onda transversal igualmente podría corresponder a las vibraciones de los campos eléctrico y magnético en las ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética que puede propagarse en el espacio vacío no produce desplazamientos puntuales de masa. Son ondas transversales cuando una onda por el nodo se junta con la cresta y crea una gran vibración.
