FÍSICA Y QUÍMICA |Versión impresa - Educa-Text
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FÍSICA Y QUÍMICA | Versión impresa ONDAS FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa Ondas Se pueden distinguir dos tipos de ondas: la luz visible, que forma parte de un conjunto más amplio de ondas llamado espectro electromagnético, y las ondas sonoras. Movimiento ondulatorio La energía se transmite de un lugar a otro por contacto entre cuerpos. Por ejemplo, cuando se chuta una pelota, se le transmite energía cinética y esta energía se desplaza gracias al movimiento de la pelota, aunque no siempre es necesario que haya transmisión de materia para transmitir energía. El movimiento ondulatorio es aquel en el que se transmite energía sin que haya transporte de materia. La transmisión de la energía se hace mediante la propagación de una perturbación a la que llamamos onda, que se desplaza en una cierta dirección del espacio. Ondas mecánicas y electromagnéticas No todas las ondas son iguales. • Hay ondas, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, como puede ser el aire, el agua o el hierro. Estas ondas se llaman mecánicas. • En cambio, hay ondas que pueden propagarse por el vacío, sin que haya ningún medio material, como la luz visible, los rayos X, las ondas de radio y televisión, o las microondas. Estas ondas se llaman electromagnéticas. Movimiento de las ondas Una de las características más representativas de las ondas es el movimiento de oscilación o de vibración al que dan lugar, que puede ser de dos tipos: transversal y longitudinal. Ondas transversales En el caso de ondas producidas al sacudir una cuerda o lanzar una piedra en un lago, cuando la perturbación llega a las partículas del medio material, éstas oscilan perpendicularmente a la dirección en que se propaga la onda. Como cada partícula está ligada a las partículas vecinas, cuando una de ellas inicia la oscilación las vecinas siguientes también lo hacen. Este tipo de ondas se llaman ondas transversales. Las olas del mar también son ondas transversales, así como las ondas electromagnéticas. Ondas longitudinales Aunque no las hayáis visto nunca, las ondas de sonido producen un tipo diferente de oscilación en el medio por el que se desplazan. En este caso hablamos de ondas longitudinales. ONDAS | 1 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa • Cuando una onda longitudinal llega a las partículas del medio material, éstas oscilan paralelamente a la dirección de propagación de la onda. • Cuando una partícula comienza a oscilar, choca con sus partículas vecinas, que también comienzan a oscilar y chocar con las siguientes vecinas y así sucesivamente. • Por tanto, las ondas longitudinales se propagan gracias a los choques que se producen entre las partículas del medio. Características de las ondas Todas las ondas, ya sean longitudinales o transversales, sonoras o electromagnéticas, se caracterizan por unas magnitudes físicas que se pueden medir. Estas magnitudes nos permiten obtener información sobre la onda y saber a qué tipo de fenómenos podrá dar lugar. Estas magnitudes son: amplitud (A), longitud de onda (λ), periodo (T), frecuencia (f) y velocidad de propagación (v). Amplitud • La amplitud (A) es el máximo desplazamiento de una partícula respecto a la posición de equilibrio que tenía antes de que le llegara la onda. • Se mide en metros. • Los puntos con la máxima amplitud posible se llaman valles o picos, en función de si se encuentran más arriba o más abajo de la posición inicial. Longitud de onda • La longitud de onda (λ) es la distancia mínima entre puntos que se encuentran en el mismo estado de vibración. • También se mide en metros. Periodo • El periodo (T) es el tiempo que tarda una partícula en hacer una oscilación completa. • Se mide en segundos. Frecuencia • La frecuencia (f) es el número de oscilaciones que hace una partícula cada segundo. • Se mide en 1/s o hercios (Hz), y se puede calcular haciendo la inversa del periodo (f = 1/T). Velocidad de propagación Como cualquier otra velocidad física, la velocidad de propagación de una onda se define como la distancia recorrida por la onda, dividida entre el tiempo que ha tardado en recorrer la distancia. ONDAS | 2 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa Si nos fijamos en todas las ondas que hemos estudiado hasta ahora, veremos que en todas ellas la perturbación recorre una distancia igual a la longitud de onda en el tiempo de un periodo. Por tanto, la velocidad se puede expresar como: V = T O sabiendo que f = 1/T: V=l ·f El sonido El sonido es una onda generada por la vibración de un determinado cuerpo, que se transmite mediante ondas longitudinales. • Cuando un cuerpo vibra, el movimiento de vibración se transmite a las moléculas más cercanas del medio material donde se encuentra el cuerpo. • Estas partículas chocan con sus partículas vecinas, que también comienzan a oscilar y chocar con las siguientes vecinas y así sucesivamente. • Mediante este movimiento, el sonido viaja a través del medio. • Como el sonido se propaga gracias a las vibraciones de las moléculas del medio, sin medio no se puede propagar. Por eso el sonido no se propaga en el vacío. La mayoría de animales son sensibles al sonido. • Muchos lo utilizan para comunicarse y captar estímulos que les dan información del entorno. • En el caso de los humanos, cuando hablamos producimos una vibración de las cuerdas vocales y éstas la transmiten al aire. • Gracias al tímpano, una membrana sensible a esta vibración situada en el oído, podemos sentir la voz de las personas y otros sonidos. Características del sonido Las características que permiten distinguir un sonido de otro son la intensidad, el tono y el timbre. Intensidad del sonido • La intensidad es el volumen con el que se percibe un determinado sonido. • Está relacionada con la amplitud de la onda sonora. – A sí, un sonido fuerte tiene una gran amplitud, mientras que un sonido débil corresponde a una onda con una amplitud pequeña. • La intensidad del sonido disminuye a medida que se propaga, y su nivel se mide en una unidad que se llama decibelio (dB). ONDAS | 3 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa El tono del sonido • El tono de un sonido está directamente relacionado con su frecuencia. – Cuando un sonido es de baja frecuencia, su tono es grave. – Los tonos agudos, en cambio, corresponden a sonidos de frecuencias altas. En una guitarra, por ejemplo, el tono depende de la longitud de la cuerda que vibra, que el guitarrista modifica con los dedos. Cuanto más larga es la parte de cuerda vibrante, más grave es la nota que produce. El timbre del sonido • El timbre de un sonido tiene que ver con la composición de la onda sonora. • En general, una onda sonora está formada por una onda principal a la que se le superponen unas ondas secundarias, llamadas armónicos. – E s la diferencia entre estos armónicos superpuestos en una misma onda sonora principal la que permite diferenciar los timbres de los instrumentos o las voces de las personas. La forma y el material de un instrumento determinan sus armónicos y, por lo tanto, su timbre. En el caso de la voz, son las características de las cuerdas vocales y de los órganos de su entorno las que determinan el timbre de la voz. Reflexión del sonido. Eco y reverberación Como todas las ondas, el sonido se puede reflejar cuando incide sobre una superficie. Dependiendo de la distancia a la superficie reflectora, el oído humano aprecia dos fenómenos diferentes: el eco y la reverberación. • La reverberación se produce cuando el sonido se refleja en un obstáculo cercano (inferior a 17 metros), de manera que el oído humano no puede separar completamente el sonido emitido del reflejado. • El eco, en cambio, se produce cuando el obstáculo se encuentra lejos, de manera que el oído puede separar el sonido inicial del reflejado. El aparato fonador El aparato fonador es el conjunto de órganos que permite a los humanos emitir y articular sonidos que nuestro oído recibe y transmite al cerebro para que los interprete. Está formado por tres tipos de órganos bien diferenciados: • Órganos de la respiración (pulmones, bronquios y tráquea). • Órganos de la fonación (laringe, cuerdas vocales, faringe y cavidades nasales). • Órganos de la articulación (paladar, lengua, dientes, labios y glotis). El sonido se forma cuando el aire que sale de los pulmones produce una vibración de las cuerdas vocales. Los matices se consiguen con las interrupciones totales o parciales de este aire por parte del resto de órganos. ONDAS | 4 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa El oído El oído es el órgano que capta el sonido y lo traduce a impulsos nerviosos que el cerebro interpreta. Está formado por tres partes bien diferenciadas: • El oído externo: formado por el pabellón auditivo, que recoge las vibraciones del sonido, y por el conducto auditivo externo, que las conduce hasta el tímpano. • El oído medio: formado por el tímpano, una membrana que vibra cuando le llega el sonido, y por tres huesos minúsculos: el martillo, el yunque y el estribo, que transmiten la vibración hasta el oído interno. • El oído interno: formado por el caracol o cóclea, que transforma la vibración en impulsos nerviosos que llegan al cerebro donde son interpretados. La luz La luz es una onda transversal que no necesita un medio material para propagarse y que transporta energía. Dualidad onda-partícula La luz siempre ha despertado la curiosidad de los científicos. Se han propuesto muchas teorías para explicarla pero, esencialmente, el debate se ha centrado siempre en si está formada por ondas o por partículas. La respuesta es que la luz está compuesta por ambas. En función de las circunstancias se comporta como una onda electromagnética o como partícula. Espectro electromagnético Todas las ondas electromagnéticas se propagan a la misma velocidad en el vacío (3·108 m/s) y se distinguen por su longitud de onda o su frecuencia. Todo este abanico de ondas electromagnéticas se conoce como el espectro electromagnético de la luz. De todo este espectro, el ojo humano solamente es sensible a las ondas con longitudes de onda comprendidas entre 380 y 780 nanómetros, aproximadamente. Propagación de la luz • Cuando la luz viaja a través del mismo medio lo hace en línea recta. • Como ya hemos visto, tanto en el vacío como en el aire la velocidad de propagación de la luz es de 3·108 m/s. – E ste valor se acostumbra a llamar c y, junto con la constante de la gravitación (G) y otros valores, es una de las constantes universales. ONDAS | 5 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa • En otros medios, la velocidad de la luz disminuye. • La velocidad de la luz es la mayor velocidad que se ha observado en el Universo y es la máxima velocidad que las leyes de la física actuales permiten; no hay nada que pueda ir más deprisa. Reflexión de la luz Cuando la luz circula por un medio y se encuentra con otro, una parte rebota y no puede superar la frontera entre los dos medios. La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al encontrarse un cambio de medio, siempre y cuando este cambio de dirección redirija los rayos hacia el medio inicial. Las superficies sólidas y opacas que reflejan totalmente la luz que les llega se llaman espejos. En la reflexión, el ángulo que forma el rayo con la perpendicular a la superficie es el mismo que el que forma el rayo reflejado. • Cuando se estudian los fenómenos que experimenta la luz al cambiar de medio, los ángulos se miden siempre respecto de la perpendicular a la superficie que separa los dos medios. • Esta recta se llama normal. Espejos Los espejos planos reflejan la luz de los objetos y reproducen su imagen en el otro lado del espejo. Esta imagen se llama virtual. En realidad, lo que sucede cuando un objeto se refleja en un espejo es que el cerebro humano interpreta la trayectoria de los rayos como si vinieran del otro lado del espejo, con lo que se reproducen de forma simétrica las dimensiones del objeto. Refracción de la luz La refracción de la luz es el cambio de la dirección de los rayos luminosos cuando cambian de medio y se produce porque la luz se propaga a una velocidad diferente en cada uno de los medios. El hecho de que la luz se propague con velocidades diferentes en medios diferentes permite definir una propiedad de los materiales llamada índice de refracción. Este índice no es más que la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y en el medio (v): c n= v ONDAS | 6 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa El cambio de dirección que experimenta un rayo de luz al cambiar de medio depende de los índices de refracción de los dos medios atravesados: • Si el índice del segundo medio es mayor que el del primero, el rayo se acerca a la normal. • Si el índice del segundo medio es menor que el del primero, el rayo se aleja de la normal. La refracción y las lentes Las lentes son uno de los objetos más utilizados en la construcción de instrumentos ópticos como las gafas, los microscopios o los telescopios. Una lente no es más que un medio transparente, generalmente de vidrio, limitado por dos superficies, una de las cuales, como mínimo, es curvada. Al ser un medio diferente al aire, cuando un rayo incide en ella se refracta; cambia de velocidad y de dirección de propagación. Este fenómeno se puede aprovechar para generar imágenes a partir de luz procedente de objetos diversos. Los instrumentos ópticos utilizan dos tipos de lentes: las lentes convergentes y las divergentes. Elementos de las lentes • Centros de curvatura (C, C’): Es el centro de cada una de las caras esféricas de la lente. • Centro óptico (O): Punto central del interior de la lente. Los rayos que pasan por aquí no se desvían. • Eje principal: Recta imaginaria que pasa por el centro óptico y los centros de curvatura. • Focos (F, F’): Son dos puntos del eje principal por donde pasan todos los rayos paralelos a este eje después de refractarse. • Distancia focal: Es la distancia entre el centro óptico y los focos. Lentes convergentes Las lentes convergentes están diseñadas para concentrar todos los rayos refractados en un mismo punto, el llamado foco de la lente. Lentes divergentes Las lentes divergentes se diseñan para generar el efecto contrario al de las convergentes: separar hacia el infinito todos los rayos refractados. Esto se consigue focalizándolos en un punto imaginario a la izquierda de la lente. ONDAS | 7 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa Formación de las imágenes en las lentes • Imágenes reales: se forman porque los rayos de luz convergen en un punto. Nuestra vista no puede captarlas, pero es posible verlas si las generamos sobre una pantalla. • Imágenes virtuales: se forman cuando los rayos de luz divergen y parecen provenir de un punto por el que no han pasado. Nuestra vista interpreta que estos rayos provienen de un objeto situado en este punto. Éste es el tipo de imagen que se forma en un espejo. Imágenes en lentes convergentes Para determinar dónde se formará la imagen de un objeto real cuando los rayos procedentes del objeto inciden en una lente convergente, debéis tener en cuenta los siguientes puntos: • Los rayos paralelos al eje principal pasan por el foco imagen F’ después de refractarse. • Los rayos que pasan por el foco F salen paralelos al eje óptico después de refractarse. • Los rayos que pasan por el centro óptico O no se desvían. Imágenes en lentes divergentes Para determinar dónde se formará la imagen de un objeto real cuando los rayos procedentes del objeto incidan en una lente divergente, debéis tener en cuenta los siguientes puntos: • Los rayos paralelos al eje principal, después de refractarse, se separan de manera que su prolongación pasa por el foco F. • Los rayos que pasan por el centro óptico O no se desvían. El ojo humano El ojo es un complejo sistema que traduce la luz que le llega a impulsos nerviosos, que son interpretados por el cerebro como imágenes. • La pupila es la puerta de entrada al ojo, encargada de regular la cantidad de luz que entra en él. Se dilata en ambientes oscuros para dejar pasar el máximo de luz y se contrae en ambientes iluminados para limitarla. • El cristalino actúa como una lente convergente, que refracta la luz para concentrarla en la retina. • El iris es un músculo que cambia la curvatura del cristalino para focalizar las imágenes sobre la retina en función de la proximidad del objeto que se quiere ver. • La retina contiene las células sensibles a la luz (conos y bastoncillos) que transforman la luz en impulsos nerviosos. • El nervio óptico recoge los impulsos nerviosos generados en la retina y los transporta hasta el cerebro. ONDAS | 8 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa Dispersión de la luz Seguro que alguna vez os habéis preguntado por qué el cielo es azul y por qué se ve tan rojo en algunas puestas de sol. Pues todos estos efectos se deben a un fenómeno llamado dispersión. No todas las ondas electromagnéticas se refractan del mismo modo, porque el índice de refracción de un material depende de la longitud de onda de la luz incidente. Por eso, cuando se produce un cambio de medio hay ondas que experimentan grandes cambios en la dirección de propagación, y otras que casi no se desvían. En el caso de la luz visible, compuesta por los siete colores del arco iris, no se refracta por igual la luz azul que la roja. • La roja es la que menos se desvía. • La azul es la que más cambia de dirección al cambiar de medio de propagación. El prisma es el elemento óptico que se utiliza para llevar a cabo esta descomposición. Un prisma no es más que un objeto transparente de caras planas no paralelas. Cuando la luz incide en él, cada color sale en una dirección diferente y es posible distinguirlos por separado. Esto es lo que sucede cuando en un día de lluvia algunos rayos furtivos de sol se abren paso entre las nubes y cruzan las gotas de agua que hay en el ambiente. Estas gotas actúan como pequeños prismas, separan los colores de la luz solar y dan lugar al arco iris. Polarización de la luz En general, un rayo de luz no está formado por una sola onda, sino por muchas que vibran en direcciones y con amplitudes diferentes. Hay sistemas, como los polarizadores, que permiten seleccionar una sola onda de las que forman el rayo para obtener un rayo formado por una sola onda. Este proceso se llama polarización de la luz y la resultante, por tanto, se llama luz polarizada. El concepto de polarización es importante en el mundo de la fotografía y en el funcionamiento de algunos seres vivos. Interferencias Seguro que en más de una ocasión habréis oído a diversas personas hablando a la vez y no habéis podido entender qué decía cada una. O también habréis oído ruidos mientras hablabais por teléfono. Todo esto se produce a causa de uno de los fenómenos más característicos de las ondas: las interferencias. Cuando dos o más ondas se encuentran en un cierto espacio se produce una combinación de todas las vibraciones que puede dar lugar a efectos sorprendentes. ONDAS | 9 FÍSICA Y QUÍMICA | ONDAS | Versión impresa Las ondas que coinciden pueden llegar a combinarse de tal manera que en algunos puntos desaparezca totalmente la vibración y en otros puntos se amplifique. Los ingenieros de sonido, por ejemplo, controlan este fenómeno a la hora de diseñar los auditorios para conseguir que la música se oiga lo mejor posible desde cada butaca. En el caso de la luz, el fenómeno de interferencia se manifiesta en forma de zonas oscuras y zonas claras. ONDAS | 10
