Aula virtual. Fisicoquímica 2do. año. Escuela N° 3015. Prof Anibal Brizzio: 1c-Onda Luz Sonido

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ONDA, LUZ Y SONIDO

ONDA

1-Definición:
En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna de las propiedades de un cuerpo o sistema (densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, etc) a través de dicho cuerpo o medio circundante. Esta perturbación , implica un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.

2-Características de una onda
Todas las ondas poseen el mismo comportamiento bajo condiciones estandarizadas y las pueden experimentar los siguientes fenómenos:
-existe transporte de energía sin transporte de masa.
-la energía se va alejando de la fuente que la origina, en forma de una perturbación que se propaga en el medio circundante disminuyendo su intensidad en todas las direcciones posibles.
-los distintos orígenes físicos que provocan la aparición de una onda les confieren propiedades muy particulares que las distinguen. Por ejemplo, la acústica se diferencia de la óptica en que las ondas sonoras están relacionadas con aspectos mecánicos; las ondas de luz se relacionan con fenómenos electromagnéticos que son las que gobiernan los fenómenos ópticos.
-la propagación de una onda se puede modificar por un obstáculo de similares dimensiones a la onda o cuando cambia de medio en el cual se transmite.

3-Tipos de ondas
Se puedes distinguir dos tipos de ondas, las mecánicas y las electromagnéticas.
-Ondas mecánicas: Requieren de un medio para propagarse (sólido, liquido o gaseoso o fluido). Estas pueden ser transversales (la perturbación es perpendicular a la propagación, materiales) o longitudinales (la perturbación es en el sentido de la propagación, sonido).

-Ondas electromagnéticas: No requieren de un medio para propagarse. Son ondas electricas y magnteticas que se transmites al mismo tiempo y perpendiculaes entre si (luz, rayos equis, telefonia celular, wi fi, etc)

4-Elementos de una onda
-Período (T): El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.
-Amplitud (A): La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.
-Frecuencia (f): Es el número de ciclos completos transcurridos en la unidad de tiempo (por ejemplo, un segundo)-
-Longitud de onda ( λ): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas.
-Valle ,Cresta: Son los puntos mas bajos y altos de la onda, respectivamente.
-velocidad de propagación: es la velocidad con que una onda se desplaza en un medio determinado.
-Dirección de propagación: línea media imaginaria que tiene un sentido hacia el cual se desplaza la onda.

5-Propiedades de una onda
-Reflexión: Se produce cuando una onda encuentra en su recorrido una superficie contra la cual rebota, después de la reflexión la onda sigue propagándose en el mismo medio y los parámetros permanecen inalterados. El eco es un ejemplo de Reflexión.
Refracción: Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda.
-Difracción se produce cuando una onda llega a una ranura o un obstáculo de tamaño comparable con su longitud de onda. La onda se desvía como si el obstáculo emitiese una onda esférica.

6-Espectro electromagnético
El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas que pueda generar una materia. Es un esquema que muestra todas las ondas que puede generar teóricamente la materia.
El espectro electromagnético se extiende desde las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio (izquierda del esquema), hasta las de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X (derecha del esquema), pasando por la luz visible.

LUZ

1-Definición
Se llama luz 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.
Óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. El estudio de la luz revela una serie de fenómenos o efectos al interactuar con la materia, que permiten desarrollar algunas teorías sobre su naturaleza.

2-Naturaleza de la luz
A fines del siglo XVII se propusieron dos teorías para explicar su naturaleza.
-Según Newton era un fenómeno corpuscular, es decir que una fuente luminosa emite pequeñas partículas de masa insignificantes a las que llamó fotones que viajan en línea recta a enorme velocidad. Esta teoría justifica los fenómenos de reflexión y refracción de la luz a partir del movimiento de los fotones.
-Según la teoría de Huygenz, la luz es un fenómeno ondulatorio que se transmite sin mover partículas. Esta teoría también explica los fenómenos de reflexión y refracción y además ausencia choques de partículas en los cruces de rayos luminosos .

La naturaleza de la luz originó mucha controversia a lo largo del tiempo y duró hasta el siglo XX.
Se acepta la doble naturaleza de la luz: "Cuando se propaga se comporta como una onda electromagnética, cuando interacciona con la materia se comporta como una partícula (fotón)"

3-Propagación y velocidad e la luz.
Es fácil y sencillo determinar que la luz se propaga en línea recta, basta con comparar objetos con la luz del sol o usar fuentes de luz (rayos láser de uso didáctico).
El primero en medir la velocidad de la luz fue el sueco Ole Römer en 1676, quien usó un eclipse una de las lunas de Júpiter, Io.

Vel= 300000 Km/seg

El cono de sombra que crea el Sol tras Júpiter es atravesado periódicamente por Ío. Esto hace que, desde la Tierra, Ío desaparezca y reaparezca cada cierto tiempo, oculto en dicha sombra. Las posiciones en las que se ha dibujado la Tierra corresponden a la más cercana y a la más alejada de Júpiter respectivamente, y ayudaron a Roemer a medir la velocidad de la luz por primera vez..
Roemer observó que, cuando Júpiter se hallaba a la distancia mínima de la Tierra, el tiempo entre dos salidas sucesivas de la sombra era de 42 h y 28 minutos, aproximadamente. Por contra, cuando la Tierra estaba en su punto más alejado el periodo se incrementaba 22 minutos. La conclusión era que el incremento de tiempo se debía al lapso de tiempo que tardaba la luz en recorrer la distancia adicional. Dicha distancia, representada en la figura por T y T´ , correspondía al diámetro de la Tierra alrededor del Sol, que en aquella época no se conocía con total precisión. La medición, aunque imprecisa, bastó para desterrar la idea de que la velocidad de la luz era infinita.

Posteriormente varios científicos presentaron cálculos cada vez más avanzados y exactos. Actualmente acepta que la velocidad de la luz en el vacío es de 299792,458 Km/seg.
De todos modos se sigue utilizando el cálculo original propuesto por Ole Römer de 300000 Km/seg y se le asigna la letra C.
La velocidad de la luz al propagarse a través de la materia es menor que a través del vacío y depende de las propiedades dieléctricas del medio

Alfa centauri al lado de la cruz del sur
Andrómeda arriba de la constelación de aries.

4-La luz y la materia
La luz frente a la materia se comporta de 3 formas: cuerpos opacos (no permiten el paso de la luz; no puede verse a traves de ellos), cuerpos transparentes (dejan pasar la luz; se puede ver a traves de ellos. Son el agua, el vidrio, el aire), cuerpos translúcidos (solo dejan pasar una parte de la luz; no se puede ver con claridad a través de ellos, es el caso de algunos plásticos, vidrio esmerilado)

#Fenómenos luminosos.

Para estudiar los fenómenos luminosos utilizamos rayos de luz. Se denomina rayo luminoso o de luz , a la linea imaginaria que representa la dirección y el sentido en el que se propaga la luz.
Citaremos a continuación algunos de los fenómenos que podemos observar en la interacción entre la luz y la materia.

4.1-Reflexión:
Es el fenómeno que se produce cuando un haz de luz llega o incide sobre una superficie plana, vuelve al medio en que se encuentra.
Recordemos que la luz se propaga en línea recta y que los objetos son captados por nuestros ojos por el fenómeno de reflexión, ya que la luz incide sobre ellos. En caso de que la luz además de luz, se refleje una imagen, estaremos en presencia de un espejo. Los espejos pueden clasificarse como planos y curvos., dentro de estos últimos están los espejos esféricos, que son formados por por porciones de esferas. En caso de los espejos esféricos, si la superficie espejada es la interior se llaman cóncavos, y si es la exterior se llaman convexos.

*Espejos planos: Cuando sobre un espejo plano se produce la reflexión de un objeto, la imagen se observa en una posición simétrica a la del objeto respecto del plano de reflexión desde cualquier posición en que se encuentra el observador.
La reflexión sigue las leyes fundamentales de la geometría y pueden fácilmente demostrase utilizando elementos sencillos.

*Espejos esféricos: Los espejos cóncavos poseen el punto de incidencia del rayo en la parte interna de la curvatura. Como todo espejo se comporta como tal y la perpendicular de un plano tangente a la superficie del espejo es la dirige el rayo de luz incidente.

Los espejos convexos poseen el punto de incidencia en la parte exterior a la curvatura. Como todo espejo se comporta como tal y la perpendicular de un plano tangente a la superficie del espejo es la dirige el rayo de luz incidente.

4.2-Fenómeno de refracción de la luz

Es un fenómeno que se produce cuando un haz de luz atraviesa la superficie se separación entre dos medios de distinta densidad. Una forma simple de observar este fenómeno es colocando un objeto, por ejemplo un lápiz, en un vaso con agua de modo que parte de él quede fuera de la superficie; dará la impresión que el objeto se parte justo en la superficie del agua.
Esto se produce porque la luz al atravesar superficies con diferentes densidades se desvía, o cambia de dirección. Esta desviación depende de cada sustancia y la desviación es siempre constante.
Importante, si el ángulo de incidencia es muy grande el medio se comporta como un espejo.

4.3- Difracción
La difracción es un término que se atribuye a varios fenómenos que ocurren cuando una onda se encuentra con un obstáculo o una rendija. Está definida como la desviación de ondas alrededor de las esquinas de un obstáculo o a través de la abertura en la región de una sombra geométrica del obstáculo. El objeto difractante o rendija se convierte efectivamente en una fuente secundaria de la onda de propagación. El científico italiano Francesco Maria Grimaldi acuñó la palabra "difracción" y fue el primero en registrar observaciones precisas del fenómeno en 1660.

SONIDO

1-Definición
El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas mecánicas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.

2-Naturaleza del sonido
El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras (ondas mecánicas, de perturbación longitudinal) 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.

3-Propagación y velocidad del sonido
La propagación del sonido , como toda onda, 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.
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.

Como todo movimiento ondulatorio posee amplitud, frecuencia (La frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico medida en Hertz) , Longitud de onda , frecuencia , amplitud relacionada con el volumen (percepción sonora que el ser humano tiene de la potencia de un determinado sonido medida en decibelios).y la potencia acústica (cantidad de energía por unidad de tiempo (potencia) emitida por una fuente determinada en forma de ondas sonoras).

Como dijimos la onda se propaga por un medio, no se propaga en el vacío, y la velocidad de propagación depende del medio en cual se propague. En general se puede afirmar que el sonido se transmite mas rapidamente en medios sólidos que en líquidos, y estos mas que en uno gaseoso. Además depende la temperatura, la densidad y presión, entre otras variables.
La velocidad en la atmósfera terrestre es de 343.2 m/s (1235.52 km/h) , a 20 °C de temperatura , con 50 % de humedad, y a nivel del mar.

4-El sonido y la materia

4.1-Fenómeno de reflexión del sonido.

Se produce cuando las ondas chocan contra un medio sólido, provocando que reboten. El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia

4.2 Fenómeno de refracción del sonido.

En un fenómeno que provoca la desviación de la onda por el cambio de medio en el que se propaga. Cuando pasa de un medio lento a uno mas rápido de desvía hacia abajo, y cuando pasa de uno rápido a un lento se desvía hacia arriba.

4.3-Fenómeno de difracción del sonido.
La difracción es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido. Hablamos de difracción cuando el sonido en lugar de seguir en la dirección normal, se dispersa en una continua dirección.

La difracción se puede producir por dos motivos diferentes: a)Porque una onda sonora encuentra a su paso un pequeño obstáculo y lo rodea, b)Porque una onda sonora topa con un pequeño agujero y lo atraviesa.

4.4-Fenómeno de absorción

La absorción es un fenómeno que afecta la propagación del sonido. Cuando una onda alcanza una superficie sólida, la mayor parte de su energía se refleja, pero una parte de ella se absorbe por el medio sólido contra el cual choca. Todos los medios absorben una parte de la energía de la onda, ninguno la refleja en un 100%.

4.5-Efecto Doppler
Cuando una fuente de onda se mueve respecto de un punto fijo de referencia donde se encuentra el receptor de la onda, este recibe la onda en una frecuencia diferente a la que fue emitida la onda. Esto es válido para la luz, el sonido y el resto del espectro electromagnético.
Un ejemplo cotidiano de este fenómeno lo percibimos al oír pasar una ambulancia a nuestro lado rápidamente. Al acercarse la ambulancia percibimos una frecuencia mayor (o sea más agudo) y al alejarse percibimos el sonido con una frecuencia menor (o sea más grave).