Title: Unidad 4
Course: Física Plus + 3 BGU

Movimiento ondulatorio

▲ La luz y el sonido comparten características ondulatorias.

A lo largo de nuestra vida hemos oído vagamente acerca del fenómeno ondulatorio en un charco de agua, provocado por el viento. Sin embargo, las ondas están mucho más involucradas en nuestra vida cotidiana de lo que imaginamos. Tanto así que sin el uso de las ondas, nuestra sociedad no pudiera existir como tal en la actualidad. El estudio de las ondas nos ayudará a comprender mejor su utilidad.

En esta unidad explicaremos los principios básicos del movimiento ondulatorio, el sonido y la luz, los efectos de reflexión y refracción, así como el efecto doppler y sus consecuencias, tanto a nivel de ondas sonoras como de ondas de luz.

  Objetivos

1. O.CN.F.5. Describir los fenómenos que aparecen en la naturaleza, analizando las características más relevantes y las magnitudes que intervienen, y progresar en el dominio de los conocimientos de Física, de menor a mayor profundidad, para aplicarlas a las necesidades y potencialidades de nuestro país.
2. O.CN.F.6. Reconocer el carácter experimental de la Física, así como sus aportaciones al desarrollo humano, por medio de la historia, comprendiendo las discrepancias que han superado los dogmas, y los avances científicos que han influido en la evolución cultural de la sociedad.

  La física y las profesiones

Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones

La Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones prepara a profesionales con capacidad de resolver problemas referentes a sistemas de telecomunicaciones (por ejemplo, demanda, operación, mantenimiento y consistencia de dichos sistemas).

Día a día se analiza el mercado y las necesidades que se deben suplir en las telecomunicaciones. Conforme avanza una sociedad, nuevas tecnologías se desarrollan para lograr sistemas con un alcance mayor, ya sea en velocidad de transmisión de datos, ya sea en cobertura para algún determinado servicio.

Un ingeniero o ingeniera en telecomunicaciones también se ocupa de la seguridad de dichos sistemas. Para ello emplea diferentes técnicas, dependiendo de la modulación que se utilice.

En el país, universidades como la Politécnica Nacional, la ESPOL y la Universidad de Cuenca ofertan esta carrera:

www.mayedu.ec/fis3/111a

www.mayedu.ec/fis3/111b

www.mayedu.ec/fis3/111c

Ondas

CN.F.5.3.3. Clasificar los tipos de onda (mecánica o no mecánica) que requieren o no de un medio elástico para su propagación, mediante el análisis de las características y el reconocimiento de que la única onda no mecánica conocida es la onda electromagnética, diferenciando entre ondas longitudinales y transversales con relación a la dirección de oscilación y la dirección de propagación.

● Ondas

Saberes previos

¿Has oído la expresión “estar en onda”? ¿A qué hace referencia esta expresión?

Desequilibrio cognitivo

Al agitar una cuerda, ¿por qué describe un movimiento ondulado? ¿Qué ocurre?

Interdisciplinariedad

Física e informática

Las ondas son responsables de la globalización de la información por medios informáticos. El uso de este conocimiento ha permitido que la información esté al alcance de la mano en el tiempo en que es transmitida.

Averigua acerca de la globalización de la información, en qué consiste y cómo ha afectado la vida cotidiana.

Para estudiarlas, lo primero que debemos hacer es determinar qué es una onda. Una onda es la propagación de una perturbación de un sistema que está en equilibrio. Esta perturbación requiere de un medio, o no, para poder propagarse y, al ocurrir esta situación, se da un transporte de energía sin el traslado de materia.

▲ Figura 4.1. Onda característica.

Por ejemplo, cuando arreglas tu cama, al sacudir las sábanas, cobijas o edredón, generas ondas que pueden ser observadas desde tu posición, pero que se aprecian mejor si las observas desde el costado. El sistema está en equilibrio hasta que empieza la sacudida. La onda será el movimiento que describe la sábana, y el medio por el que se desplaza la onda es la sábana en sí. Aquí nos percatamos de que una onda necesita de un medio para su propagación. Si no lo crees, trata de generar una onda solo agitando tus brazos sin una sábana. ¿Qué ocurre? Precisamente nada.

Hablemos ahora del traslado de energía sin transporte de materia: ¿la sábana se movió hacia algún lado? No, porque esta característica de poder transportar energía sin trasladar masa es lo que convierte a las ondas en un elemento tan útil para el ser humano.

▲ Sábana sacudida.

Tipo de ondas

En todo el universo varias son las manifestaciones en las que se presentan las ondas. Por esta razón, para una mejor caracterización
de estas, se las clasifica de la siguiente manera.

Según su propagación

- Unidimensionales. Como su nombre lo indica, son aquellas que se propagan solo en una dirección. Por ejemplo, la cuerda de una guitarra al ser tocada.
- Bidimensionales. Existen cuando la onda se propaga en una superficie. Por ejemplo, cuando un baterista toca los tambores o los platillos.
- Tridimensionales. Son aquellas que se propagan en todas las
dimensiones. Por ejemplo, la luz. Al encender una vela en la oscuridad, la luz se propaga alrededor de la vela.

▲  Vibración de una cuerda de guitarra: onda unidimensional.

▲  En la batería, las ondas se propagan bidireccionalmente.

▲  La luz de la vela se propaga tridimensionalmente.

Según el modo de propagación en su medio

- Transversal. Sucede cuando el movimiento de las partículas es perpendicular a la propagación de onda. Esto puedo apreciarse al dar un latigazo: el movimiento de nuestra mano es de arriba hacia abajo y el látigo se desplaza de manera perpendicular hasta golpear al objetivo.
- Longitudinal. En este caso, la onda se mueve paralela al movimiento de las partículas. Al mover el juguete Slinky, podemos
observar el comportamiento de este tipo de onda.
- Combinada. Es una combinación entre transversales y longitudinales. Las olas del mar son un ejemplo de esto: un cúmulo de agua empuja a otro (longitudinal) y esto hace que el agua describa ondulaciones (transversal).

▲  Látigo en onda.

▲  Slinky en movimiento.

▲  Olas describiendo ondas combinadas.

TIC

Descubre más acerca de las ondas gravitacionales en: www.mayedu.ec/fis3/p114

Escribe un reporte acerca de lo que leíste.

▲  Ondas en el agua.

Según su periodicidad

- Periódicas. Cuando la perturbación otorgada al medio es constante.
- No periódicas. Cuando la perturbación es intermitente, sin
periodicidad.

Según su tipo de propagación

- Mecánicas. Estas ondas necesitan de un medio físico elástico para lograr propagarse.
- Electromagnéticas. Esta ondas no necesitan un medio físico,
pues pueden propagarse por el vacío a la velocidad de la luz
(300 000 km/s). En este tipo de onda tenemos a la luz, a las ondas de radio y a los rayos x, entre otras. Durante mucho tiempo fueron consideradas el único tipo de onda que no necesitaba de un medio físico para ser propagadas.

▲  Figura 4.2. Espectro electromagnético.

- Gravitacionales. Confirmadas recientemente el 11 de febrero de 2016, por el observatorio LIGO, su medio de propagación es el mismo espacio-tiempo. Fueron predichas hace más de 100 años por Albert Einstein, en su teoría de relatividad general, pero no fueron consideradas ondas como tal por falta de evidencia.

▲  La colisión de dos agujeros negros fue lo que permitió confirmar la existencia de las ondas gravitacionales.

Amplitud, frecuencia y longitud de onda

CN.F.5.3.1. Describir las relaciones de los elementos de la onda: amplitud, periodo y frecuencia, mediante su representación en diagramas que muestren el estado de las perturbaciones para diferentes instantes.

CN.F.5.3.2.  Reconocer que las ondas se propagan con una velocidad que depende de las propiedades físicas del medio de propagación, en función de determinar que esta velocidad, en forma cinemática, se expresa como producto de frecuencia por longitud de onda.

● Amplitud, frecuencia y longitud de onda

Saberes previos

¿Cómo crees que la frecuencia se relaciona con las ondas?

Desequilibrio cognitivo

¿Qué parámetros son los que definen a una onda?

▲  Figura 4.3. Amplitud.

Las ondas son muy variadas. Por esta razón, para estudiarlas, las hemos simplificado a una onda denominada sinusoidal que, si bien no es exactamente como son todas las ondas, tiene un comportamiento similar. De esta manera podremos apreciar la amplitud, la frecuencia
y la longitud de onda (Figura 4.4.).

▲ Figura 4.4. Partes de la onda.

Eje transversal

Salud

El Sol, como fuente de energía, es responsable directo de la vida sobre la Tierra. Se trasmite la energía desde el Sol a través de ondas electromagnéticas, mediante fotones y radiación que son generadas en la fusión nuclear del Sol. La atmósfera amortigua la radiación ultravioleta que es la banda más energética de las ondas de luz; estas ondas son las que producen quemaduras.

No olvides utilizar protector solar, gorra y gafas cuando te expongas al sol.

Amplitud. Representada mediante la letra A. Esta indica el máximo desplazamiento oscilatorio que sufre la onda. Se la determina como la distancia desde el punto de equilibrio de la onda, hacia la cresta o el valle (Figura 4.3.).

Longitud de onda. Es la distancia recorrida por la onda, representada por el símbolo λ. Esta se puede medir de cresta a cresta, de valle a valle, como indica la Figura 4.5.

▲  Figura 4.5. Longitud de onda.

Período. Corresponde al tiempo que demora una onda en completar un ciclo.

Frecuencia. Es el inverso del período, e indica el número de ciclos realizados por la onda en un segundo. Su unidad es el Hertz (ciclo/s).

Laboratorio casero

¿Cómo afinar una guitarra usando física?

Una vez afinada la primera cuerda, apretamos la segunda cuerda en el quinto traste, ajustamos o aflojamos la segunda cuerda hasta que al tocar la primera cuerda, entre en resonancia sonora la segunda cuerda. Es decir, debe vibrar la segunda cuerda al tocar la primera cuerda. Una vez afinada la segunda cuerda, procedemos a hacer lo mismo con la tercera cuerda, apretando en el cuarto traste, pero esta vez tocando la segunda cuerda. Para la cuarta, quinta y sexta cuerdas, procedemos igual, apretando en el quinto traste.

Velocidad de onda

La velocidad de onda es la rapidez con la que se propaga la onda. Esta velocidad viene dada por el periodo y la longitud de onda de la siguiente manera:

,

donde:

v = velocidad de onda

λ = longitud de onda

T= período

Como la frecuencia (f) es inversa al periodo:

v = λf

De esta manera, podríamos calcular cualquiera de los parámetros. Por ejemplo:

¿Cuál es la longitud de onda de una frecuencia de radio de 106,5 MHz?

Sabemos que las ondas de radio viajan a una velocidad de 300 000 km/s, por lo que:

Interdisciplinariedad

Física y sismología
A través del estudio ondulatorio de los fenómenos sísmicos, se puede establecer desde la sismología el epicentro del fenómeno, el grado sísmico y el tipo de movimiento telúrico.

Superposición de ondas

La superposición de ondas es un efecto causado por la colisión de dos o más ondas. Para que esto ocurra, ambas ondas deben estar en el mismo medio simultáneamente. Lo que sucede al momento de la colisión es la existencia de una sola onda, que es resultante de la suma de los desplazamientos oscilatorios (amplitud) de las ondas que estén presentes.

▲  Figura 4.6. Superposición de ondas.

Como se observa en la Figura 4.6., la superposición de la onda roja más la onda azul da como resultado la morada.

Ejercicio resuelto

Encuentra la ecuación de onda de la superposición de las ondas:

y_1 = 2 cos (5x_1 − 2t); y_2 = 2 cos (3x_2 − 2t)

la superposición es la suma de las 2 ecuaciones

y por trigonometría sabemos que:

entonces tenemos:

Ecuación de onda

Para las ondas también existe una ecuación que ayuda a determinar el movimiento en cualquier instante.

Usamos la onda sinusoidal para determinar esta ecuación. En la Figura 4.7., una bola viajará a lo largo de la onda durante la oscilación.

▲ Figura 4.7.

Si observamos a esa misma bola en el plano YZ, veremos que su comportamiento es idéntico a un movimiento armónico simple (MAS). Entonces podemos usar la ecuación

 y_(t) = A cos 2 π f t

▲  Figura 4.8. Plano YZ.

Tenemos que:

v = ^x/_t ; despejamos t: ⇒ ^x/_t

Podemos decir:

t_1 + t_2 = t_t ⇒ t_1 −  t_2 = t_t

De otra manera podemos decir

t_1 = ^x/_t −  t

siendo t_1 parte de la ecuación y_(t) ⇒

y_(x ,t) = A cos 2 π f (^x/_t − t)

Número de onda

Es un parámetro que define el número de radianes por metro.

k = ^2π/_λ_ ; despejamos λ; ⇒ ^2π/_λ_

También sabemos que:

v = λf ⇒ v = ^2πf/_k_

Reemplazando ambas en y_(x,t), queda:

y_(x,t) = A cos (kx − 2π ft)

Sonido

CN.F.5.3.5. Explicar el efecto doppler por medio del análisis de la variación en la frecuencia o en la longitud de una onda, cuando la fuente y el observador se encuentran en movimiento relativo.

● Sonido

Saberes previos

¿Por qué el sonido de una sirena cambia cuando se aleja o cuando se acerca?

Desequilibrio cognitivo

¿El movimiento afecta a las ondas?

▼ Tabla 1

Sonidos | dB(A)*
Bomba atómica | 200
Cohete/volcán | 180
Disparo/jet/umbral del dolor | 140
Cámara de pruebas de motor/avión de despegue | 130
Trueno | 120
Concierto/música rock amplificada | 110
Tren elevado o subterráneo/tractor/ cortadora de pasto | 100
Tráfico/fábrica | 90
Camión diesel/aspiradora | 80
Auto | 70
Aire acondicionado | 60
Conversación normal | 50
Refrigerador | 40
Llave de agua | 30
Lluvia/biblioteca | 20
Susurro/respiración | 10

^* ponderación frecuencial tipo A que se usa para niveles de presión sonora bajas.

Las ondas han estado presentes desde siempre en la vida del ser
humano. Un ejemplo de esto es el sonido, que nos ayuda a identificar el peligro, a ubicarnos en el espacio, a comunicarnos entre nosotros,
y que tiene muchas más utilidades.

▲ Símbolo de parlante emitiendo sonido.

El sonido es una onda mecánica que se propaga a través de un medio elástico. Esto quiere decir que el medio tiene la capacidad de vibración. A lo que llamamos “sonido” es más adecuado denominarlo “onda sonora”. Aquellas ondas sonoras que el ser humano es capaz de percibir están entre los 20 Hz y 20 000 Hz, intervalo que se denomina rango audible.

Intensidad del sonido

La intensidad del sonido es la potencia acústica por unidad de área. Su unidad de medida es el vatio por metro cuadrado . Habitualmente se usa como intensidad del sonido al decibel. El decibel no representa una cantidad, sino una relación con la intensidad del umbral de audición .

Esta relación es logarítmica, dada la amplitud de intensidades que el oído humano percibe. La ecuación de intensidad en decibeles es la siguiente:

L_db = 10 log

L_db = Intensidad de sonido en decibeles

L = Intensidad del sonido en escala lineal

L_0 = Umbral de audición

Efecto doppler​

El fenómeno que se percibe cuando la emisión o la recepción de un sonido se mueve una con respecto a la otra, como cuando un carro se acerca o aleja, se denomina efecto doppler, en honor a la primera persona que lo describió, Christian Doppler (Austria, 1803-1863) en el siglo XIX. Este efecto no se aplica solo a ondas sonoras, sino también a las ondas de luz y radio. Sin embargo, al ser el sonido una onda más apreciativa, este será objeto de nuestro estudio.

TIC

Observa el siguiente video:

www.mayedu.ec/fis3/p121

Discute en clase y contesta: ¿cuál es la relación del sonido de un auto (al acercarse o alejarse) con el fenómeno de la  expansión del universo?

En este fenómeno, de manera simplificada, intervienen dos actores: un emisor y un receptor. Lo que sucede es que dependiendo del movimiento de uno de los dos, la frecuencia de la onda percibida por el receptor es más alta o más baja. En el análisis debemos hacer ciertas consideraciones con el fin de ser lo más didácticos posible, y estas son que la velocidad del emisor y del receptor, v_e y v_r respectivamente, se encuentran en la misma línea de acción, y que la velocidad será positiva en dirección del receptor al emisor. Con esto en mente, analizaremos este efecto en dos circunstancias.

Receptor en movimiento

▲ El cambio en la frecuencia de una onda para un observador que se mueve en relación con su fuente.

Recuerda que...

En donde para el caso del sonido:

siendo f_e es la frecuencia del emisor y v es la velocidad del sonido que en el aire en reposo, a nivel del mar, a 20 °C es de 343,2 m/s

Cuando el emisor (parlante) se encuentra en reposo, emitiendo las ondas sonoras con una velocidad v la longitud de onda es . Mientras que cuando el receptor avanza hacia el parlante con una velocidad v_r. Cada circunferencia representa a una cresta que se dirige al receptor con una velocidad relativa de (v+v_r).

Su frecuencia será entonces:

De esa manera, si el receptor se acerca (v_r positivo), la frecuencia aumentará haciendo al sonido más agudo; y por el contrario, si se aleja (v_r negativa), la frecuencia será menor, haciendo el sonido más grave a la derecha.

Estrategias para resolver problemas

Para resolver problemas sobre el efecto doppler, se debe considerar que la velocidad del sonido o la velocidad de una onda electromagnética en un determinado medio se mantiene constante.

▲  Figura 4.9.

El sonido de la ambulancia tiene más frecuencia al acercarse que al alejarse, contrariamente a la longitud de onda.

Emisor y receptor en movimiento

▲  Figura 4.10. Emisor en movimiento. El sonido se escucha más agudo cuando se acerca y más grave cuando se aleja.

En este caso, la velocidad de la onda sigue siendo la misma, aunque un factor aumentó en el análisis: la velocidad del emisor. Por otro lado, la longitud de onda ya no será , ya que la longitud de onda era la distancia entre crestas. Como podemos observar en la Figura 4.10., esta distancia es variable y depende de la posición en que te encuentras respecto al emisor, ya sea al frente (derecha en la figura) o atrás (izquierda en la figura) por lo que la longitud de onda será:

De esta manera, si queremos obtener la frecuencia que percibe el
receptor detrás del emisor, reemplazamos la longitud de onda en la ecuación de frecuencia que se encuentra en la página anterior.
El resultado sería

Si bien la deducción que hicimos estaba aplicada a una situación en concreto, esta ecuación se aplica a todas las posibilidades de movimiento entre el emisor y receptor. Lo que varía en cada una de estas situaciones es la dirección de las velocidades y, por consiguiente, el signo.

Luz y óptica

CN.F.5.3.6. Explicar que la luz exhibe propiedades de onda pero también de partícula, en función de determinar que no se puede modelar como una onda mecánica porque puede viajar a través del espacio vacío, a una velocidad de aproximadamente 3x10^8 m/s, y explicar las diferentes bandas de longitud de onda en el espectro de onda electromagnético, estableciendo relaciones con las aplicaciones en dispositivos de uso cotidiano.

CN.F.5.3.4. Explicar fenómenos relacionados con la reflexión y refracción, utilizando el modelo de onda mecánica (en resortes o cuerdas) y formación de imágenes en lentes y espejos, utilizando el modelo de rayos.

● Luz y óptica

Saberes previos

¿Te has preguntado alguna vez cómo funcionan los espejos? ¿Qué factores intervienen para que veas tu imagen en ese cristal?

Desequilibrio cognitivo

¿Por qué dicen que unos animales poseen mejor visión que otros? ¿Qué distinción existe en estos seres?

Eje transversal

Medioambiente

Ahorrar energía es una práctica importante para quienes nos desarrollamos en torno a ella. Esto nos beneficia no solo económicamente, sino también en la dimensión ambiental, pues se evita una mayor generación de desperdicios, la contaminación lumínica y otros problemas.

La luz es un elemento que intriga a los seres humanos. Desde hace tiempo existe una gran discusión acerca de su naturaleza y de sus propiedades. Su estudio ha sido obstaculizado por las limitaciones tecnológicas y de conocimiento en cada época.

El primer científico que se aventuró a discutir y publicar acerca de la luz fue el inglés Isaac Newton, en su libro Opticks, en donde explicó que la luz poseía un comportamiento corpuscular. También abordó el tema de la refracción de la luz, mediante la descomposición de la luz blanca en los conocidos siete colores del arcoíris.

▲ Refracción de la luz

Después de Newton, varios científicos notables fueron los que hablaron del comportamiento lumínico: Christiaan Huygens, Thomas Young, Michael Faraday y James Clerk Maxwell. Algunos de estos científicos rechazaron la teoría corpuscular y apoyaron la teoría ondulatoria, inicialmente propuesta por Huygens, basándose en fenómenos como la difracción o la polarización que se presentan solo en ondas.

Fue Einstein en 1905 quien explicó el fenómeno fotoeléctrico, postulando la existencia de los fotones, que son cuantos de luz que actúan como partículas.

Con estos conocimientos, Louis-Victor de Broglie (Francia, 1892-1987) enunció en 1924 (sobre la base de la idea de las ondas de la materia) que toda materia posee una onda. Con esto se aceptó que la luz posee un comportamiento dual como onda y como partícula. Este concepto ha sido la base de la física cuántica.

Para el estudio de los fenómenos de la luz, se hizo una simplificación de esta mediante rayos con sus respectivas partes (Figura 4.11.).

▲ Figura 4.11. Partes del rayo

▲  Figura 4.12. Refracción del lápiz en el agua.

Refracción de la luz

La refracción de la luz es un fenómeno que se da cuando la luz pasa de un medio a otro de diferente densidad. Esto ocurre debido a que sus índices de refracción difieren uno de otro.

Índice de refracción

El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio que se propaga.

Ley de Snell

La relación de los senos del ángulo de incidencia y del ángulo de refracción entre un medio y otro es igual a la relación inversa de sus índices de refracción.

Reflexión de la luz

▲  Figura 4.13. Reflexión en espejo.

Este fenómeno ocurre cuando una onda incide en un objeto y esta rebota. La reflexión de la luz se puede observar todos los días.
Los colores en sí son un reflejo de las longitudes de onda de la luz que no son absorbidas por el objeto. Es decir, observamos solamente
la longitud de onda del color reflejado.

Donde se aprecia de mejor manera este fenómeno es en un espejo. Por ello estudiaremos la reflexión a partir de ese punto. La fuente de ondas de luz en este caso será llamado objeto, y el reflejo, imagen.

Reflexión en superficie plana

En la Figura 4.13. apreciamos cómo el objeto P emana rayos en distintas direcciones y estos son reflejados por la imagen del espejo, en un ángulo igual al que fueron emanados.

▲  Figura 4.14. Reflexión en superficies esféricas.

Reflexión en una superficie esférica

Como sabemos, una superficie esférica puede ser cóncava (Figura 4.14. superior) o convexa (Figura 4.14. inferior), y en cada una, los rayos actuarán diferente. Para estudiar su comportamiento, primero se define una línea imaginaria en el centro de la superficie (lente). Este es el eje óptico. En la parte cóncava, los rayos chocarán en la lente
y concurrirán a un punto en el eje óptico llamado foco. En cambio, en la parte convexa, los rayos chocarán y desde el foco existirá una línea que se prolongue hasta el punto donde choca el rayo. Ese será el rayo reflejado.

Espectro electromagnético

Debido a la vasta cantidad de frecuencias o longitudes de onda que existen, todas las ondas electromagnéticas fueron compiladas en lo que se denomina espectro electromagnético.

▲  Figura 4.15. Representación del espectro electromagnético.

Como observamos en la Figura 4.15., existen varias bandas que están definidas por un rango de frecuencia y longitud de onda. Entre ellas tenemos:

Tipo de banda | Frecuencia
Radio | 0 - 1 GHz
Microonda | 1 GHz - 300 GHz
Infrarrojo | 300 GHz - 384 THz
Espectro visible | 384 THz - 789 THz
Ultravioleta | 789 THz - 30 PHz
Rayos X | 30 PHz - 30 EHz
Rayos Gamma | >30 EHz

▲ Tabla 2

Trasmisión de ondas

CN.F.5.6.1. Explicar las aplicaciones de la trasmisión de energía e información en ondas en los equipos de uso diario, comunicación, información, entretenimiento, aplicaciones médicas y de seguridad.

● Trasmisión de ondas

Saberes previos

¿Cómo nos  afectan las ondas en la vida cotidiana?

Desequilibrio cognitivo

¿En qué objetos el ser humano aprovecha las ventajas de las ondas?

¿Alguna vez te has preguntado cómo puedes comunicarte a través de los celulares, sin un cable o medio que te conecte, y puedas compartir tu información o mandar una foto? ¿Sabes cómo funciona la televisión que transmite imágenes en vivo y de manera directa?

Hay muchos fenómenos que ocurren que no pueden ser explicados sino es a través de la física. Cuando los explicamos, el ser humano
es capaz de crear cosas magníficas, como la comunicación por celular y medios electromagnéticos.

▲ Dispositivos electrónicos.

▲  La globalización de la información es un hecho gracias al uso de ondas electromagnéticas.

Esto se debe en gran medida al físico matemático James Clerk Maxwell (Inglaterra, 1831-1879), quien, con ayuda de las ecuaciones, encontró una relación entre la electricidad y el magnetismo, dando origen al conocimiento de las ondas electromagnéticas.

A partir del descubrimiento de Maxwell, la humanidad generó grandes avances en la ciencia. Sin este punto de partida, objetos y fenómenos tan comunes para nosotros hoy en día no hubiesen existido, como la radio, la televisión, los celulares, el WiFi, las imágenes de rayos X o la investigación espacial. Son tantas las aplicaciones, que explicarlas una por una nos tomaría demasiado tiempo.

Ciertamente, todos esos objetos no fueron descubiertos ni inventados por Maxwell, pero fue él quien abrió la puerta al resto de personas que lo hicieron, quienes se basaron en su trabajo y otros trabajos posteriores para lograr tales dispositivos que benefician a la humanidad.

Algunos ejemplos de las aplicaciones de las ondas en aparatos cotidianos son los siguientes:

▲  Dial del receptor de ondas de radio.

Amplitud modulada (AM)

La amplitud modulada es una técnica de comunicación para transmitir señales de audio. Este proceso funciona mediante la variación de la amplitud de onda portadora de radiofrecuencia, en relación de la variación de amplitud de la onda de audiofrecuencia.

▲ Una radio AM.

Esto ocurre en un circuito del transmisor, denominado ‘modulador’. En este se superponen las ondas: la de radiofrecuencia con una amplitud constante y alta frecuencia que sirve como transporte de la de audiofrecuencia, con una frecuencia baja y amplitud variable. La unión de estas da como resultado la señal modulada.

En su época, esta señal era usada mayormente en el país, pero su uso se vio disminuido ya que son afectadas por las interferencias de aparatos electrónicos, por lo que se decidió cambiar la señal a una frecuencia modulada. El rango de amplitud modula da es de los 500 a los 1 700 kHz.

▲  Figura 4.16. Tipos de onda.

Frecuencia modulada (FM)

Esta es otra forma de transmitir información y se hace variando la frecuencia de la onda portadora. Su rango de frecuencia es entre 87 y 108 MHz. Es la forma más común de transmitir señales de audio en la radio ecuatoriana. Entre sus ventajas se encuentran:

- Más calidad en la reproducción de sonido, ya que es casi inmune a las interferencias eléctricas.
- Menos potencia requerida para la modulación, en comparación con la amplitud modulada.
- Sus ondas son menos afectadas por señales ajenas.
- Mayor alcance de la onda.
- Mayor capacidad de transmisión de información debido a su mayor ancho de banda.

Interdisciplinariedad

Física y arte

▲  La noche estrellada, de Vincent van Gogh, (Países bajos 1853-1890).

Sabemos que los colores no son más que ondas superpuestas que generan sus tonalidades. En el arte, esta combinación de ondas estimula nuestro cerebro y por esa razón es que podemos apreciar las obras pictóricas.

Microondas

Como ya vimos, estas son un tipo de banda del espectro electromagnético que se clasifica desde frecuencias de 1 GHz hasta 300 GHz.

▲  Horno microonda.

La aplicación más conocida para estas ondas es el horno microondas. El dispositivo de este horno emite ondas a una frecuencia de 2,5 GHz. Estas ondas, al penetrar la comida, agitan las moléculas de agua presentes (como ya sabemos, nuestra comida se compone en gran parte de agua), y al agitarse, estas moléculas se calientan. De esta manera, la comida se calienta.

▲  Vehículo de transmisión satelital.

▲  NEE-01 Pegaso, primer satélite ecuatoriano.

Otra aplicación se da en las telecomunicaciones. Allí se usan estas ondas debido a que pasan fácilmente la atmósfera sin mucha interferencia. ¿Has visto qué al transmitir en vivo una noticia, se dice que la transmisión es “vía microonda”? La transmisión de ondas se da mediante un vehículo que se especializa en emitir y recibir ondas. Las transmisiones por microondas se dan por debajo de los 2,5 GHz.

Satélites artificiales

Los satélites artificiales son objetos hechos por el ser humano y han sido lanzados al espacio con diferentes fines. Estos orbitan alrededor de la Tierra o a través del espacio, y emanan o reciben ondas. Sus aplicaciones pueden ser científicas (como aquellos satélites que exploran el espacio o nos muestran imágenes del universo), o comerciales (como los satélites usados por las televisoras para transmitir su contenido o los satélites que permiten conocer el clima).

Ondas electromagnéticas

CN.F.5.3.6. Explicar que la luz exhibe propiedades de onda pero también de partícula, en función de determinar que no se puede modelar como una onda mecánica porque puede viajar a través del espacio vacío, a una velocidad de aproximadamente 3x10^8 m/s, y explicar las diferentes bandas de longitud de onda en el espectro de onda electromagnético, estableciendo relaciones con las aplicaciones en dispositivos de uso cotidiano.

CN.F.5.3.8. Analizar el mecanismo de radiación electromagnética, mediante la observación de videos relacionados y la ejemplificación con aparatos de uso cotidiano.

CN.F.5.5.2. Explicar que las partículas a escala atómica o menores presentan un comportamiento ondulatorio, a partir de la investigación del experimento de difracción de electrones en un cristal.

● Ondas electromagnéticas

Saberes previos

 ¿Cuál es la semejanza entre los campos eléctricos
y magnéticos?

Desequilibrio cognitivo

¿Cómo conocemos tanto de las ondas electromagnéticas? ¿De qué manera se las estudia?

▲ James Clerk Maxwell.

Las ondas electromagnéticas no fueron conocidas como tales hasta que James Clerk Maxwell conceptualizó la relación entre los campos magnéticos y eléctricos. Esto fue una revolución en la ciencia, al punto en que hoy este tipo de ondas se usan en el día a día.

Las ondas magnéticas se forman cuando un campo magnético varía en el tiempo, y da origen a un campo eléctrico. A su vez, los campos eléctrico y magnético se sostienen entre sí a través del espacio, y viajan generando las ondas ya mencionadas.

▲ Espectro de radiación electromagnética.

Por lo tanto, elementos como la luz, la radio, los infrarrojos, los rayos X, y otros, son ondas electromagnéticas. Estas se diferencian unas de otras por la frecuencia y longitud de onda.

Para poder entender de mejor manera las ondas electromagnéticas, se usarán las ecuaciones de Maxwell. A diferencia de las ondas observadas anteriormente, las ondas electromagnéticas no requieren de un medio material para viajar. Es por ello que pueden viajar en el vacío, como el espacio exterior.

En 1887 se estableció que las ondas de luz, como las de radio y microondas, tienen una velocidad constante igual a la de la luz:
299 792 458 m/s, es decir, 3 × 10^8 m/s aproximadamente.

Humor

Las ecuaciones de Maxwell reúnen leyes como las siguientes:

- ley de Gauss de campos eléctricos;
- ley de Gauss de campos magnéticos;
- ley de Ampère;
- ley de Faraday.

Las ecuaciones de Maxwell sintetizan los fenómenos electromagnéticos. Simplificando el análisis para el presente estudio, no vamos a considerar los cálculos diferenciales e integrales. Se puede establecer entonces que:

c = λf      E = cB,

donde E es magnitud de intensidad de campo eléctrico; λ es la longitud de onda; c es la velocidad de la luz; y B es la magnitud de la intensidad de campo magnético.

▲  Figura 4.17. Campos eléctrico y magnético actúan en las ecuaciones de Maxwell.

Recuerda que...

La máxima velocidad existente es la velocidad de la luz. Sobre esta característica de la naturaleza se fundamenta la teoría de la relatividad de Einstein, en la que se aplica las transformaciones de Lorentz.

Además de estas ecuaciones, el efecto doppler también es usado para determinar los comportamientos de las ondas electromagnéticas, con la ecuación:

Para ondas electromagnéticas no se pueden sumar velocidades por sobre la de la luz. Se requiere hacer los ajustes necesarios con las transformaciones de Lorentz.

Por lo tanto, podemos considerar que las frecuencias aumentan al acercarse y disminuyen al alejarse por las relaciones determinadas con la tonalidad de luz de las estrellas que, comparada la luz como onda electromagnética, nos permite deducir lo siguiente:

^ cuando la fuente se acerca al emisor.

 cuando la fuente se aleja del emisor.

Difracción de ondas electromagnéticas

▲  Estructura del ADN, hallada por la difracción de rayos X.

La difracción es un fenómeno característico de las ondas. Como se explicó anteriormente, se basa en la desviación de estas al pasar por un obstáculo o al atravesar una pequeña rendija. La Longitud de onda del rayo difractado depende del ancho de la rendija (a) y del seno del ángulo θ con el que llega el rayo. Dado en la ecuación: θ = a Sen θ

▲  Figura 4.18. Difracción de ondas.

Suponiendo a la onda como una sucesión de emisiones puntuales, al encontrarse con un obstáculo, las emisiones del extremo de onda no se pueden propagar de la misma forma por la interferencia, emitiéndose dos frentes de onda esféricas. Como vemos en la Figura 4.18., la dirección de la onda cambia. Se puede decir que la onda se dobla.

La difracción y la interferencia no se pueden separar en su análisis físico. Muchos analizan la difracción como un caso específico de interferencia, donde el tamaño del objeto disminuye comparado con la longitud de onda.

TIC

Observa el video:

www.mayedu.ec/fis3/p134

Y discútelo en clase con tus compañeros.

Difracción de rayos X

El espectro electromagnético de los rayos X tiene longitudes de onda similares a distancias interatómicas en la materia. Por lo tanto, se ha utilizado este método de difracción para descubrir la naturaleza de los cristales y otros materiales de estructura periódica, además de descubrir la estructura de doble hélice del ADN.

Difracción de electrones

Gracias al comportamiento cuántico de los microelementos, como la dualidad onda-partícula, se puede observar la difracción de partículas como neutrones o electrones, observación que apoyó la descripción ondulatoria de la mecánica cuántica que explicaremos en la sexta unidad.

Ciencia, tecnología y sociedad

Ciencia, tecnología y sociedad

Sismorresistencia

La sismorresistencia es la capacidad que posee una estructura (edificios, puentes, presas, entre otros) para soportar el movimiento de un sismo.

¿Cómo se investiga en física?

¿Cómo se investiga en física?

Simetrías en física

El significado de simetría, según la Real Academia de la Lengua, es: “Correspondencia exacta en forma, tamaño y posición de las partes de un todo”. En física, este concepto es similar e indica que un sistema físico se mantiene inalterable en ciertos factores, aun así haya sido sometido a determinados cambios o transformaciones. En otras palabras, la simetría del sistema físico es una característica física o matemática de un sistema que es conservado sobre cierta variación.

Las simetrías en física resultan importantes a la hora de interpretar resultados, pues al conocer las simetrías de un fenómeno físico, podemos distinguir o definir la teoría del fenómeno.

Se han definido dos simetrías en la física: las
simetrías globales y las locales.

▲ Aquí observamos una simetría en el reflejo del agua con relación a la torre Eiffel.

Simetrías globales. Están conformadas por aquellas simetrías que tienen bajo su consideración todos los puntos en referencia al tiempo-espacio.

Simetrías locales. Consideran solo una porción, un subconjunto de elementos en el espacio-tiempo.

Se pueden explicar tres ejemplos en los que se aprecia la simetría en la física.

a) La simetría del tiempo dice que si variamos el sentido del tiempo, las leyes de la física no habrán de cambiar. Por lo cual, aun variando esto, las instancias son simétricas.

b) La simetría del CPT (conjugación de carga, paridad e inversión del tiempo) es una simetría más general. Se puede decir que la inversión del tiempo es una simetría local y esta sería una general. Si invertimos estos tres conceptos en el universo, obtendríamos un universo similar al anteriormente expuesto.

c) La simetría del spin isotrópico indica que muchos hadrones, como el protón y el neutrón, son similares, con pequeñas variaciones. Por lo cual, si cambiásemos el uno por el otro, las interacciones fuertes que existen entre estas partículas no cambiarían en lo absoluto, resultando nuevamente en una simetría en la física.

Laboratorio 1

Laboratorio 1

Construye
un parlante

Datos informativos

Institución educativa:

Nombre de los estudiantes: ​

Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Materiales

- Alambre de cobre fino
- Disco (anillo) de imán
- Hoja de papel
- Goma (cola blanca,  cemento de contacto, silicona)
- Envase cilíndrico del tamaño del anillo de imán (PVC, cinta de embalaje)
- Plástico resistente
y ligero
- Cinta adhesiva
- Radio con parlante (para probar el dispositivo

Objetivos

1. Aplicar los conocimientos aprendidos en la unidad.
2. Entender el funcionamiento de un parlante.
3. Explicar el uso de ondas en un dispositivo de uso común.

Procedimiento

1. Obtén todos los materiales requeridos.
2. Observa el video en el enlace: www.mayedu.ec/fis3/p138
3. Replica lo explicado en el video.
4. Realiza un video explicando todo lo que tuviste que hacer para construir el parlante.
5. Expón tu trabajo a la clase.

Conclusiones

- ¿De qué manera las ondas actúan en este laboratorio?
- Explica ¿cómo la música es reproducida en el parlante que creaste?
- Investiga. ¿Quién inventó los parlantes y cómo llegó a esa idea?

Laboratorio 2

Laboratorio 2

Construye una
cámara oscura

Datos informativos

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Nombre de los estudiantes: ​

Curso y paralelo: ​                                                           Fecha: ​

Materiales

- Caja de cartón, madera o cualquier material que sea de un tamaño  suficientemente amplio para insertar la cabeza y que quede aún bastante espacio
- Pintura negra
- Papel blanco
- Tela negra

Objetivos

1. Entender la óptica de forma práctica.
2. Observar los comportamientos de la luz.

Procedimiento

1. Construye la caja, si es que esta no está armada.
2. Pinta completamente de negro toda la superficie interior de la caja.
3. Con un aguja, realiza un pequeño agujero (en la parte superior de la caja), por el cual solo pueda pasar un haz de luz.
4. En la cara opuesta a la cara donde se hizo el agujero, coloca una hoja, de tal manera que cubra la cara.
5. En la base, corta un círculo para que la cabeza pueda entrar por allí.
6. Con la tela, tapa el agujero y permite que solo pase la cabeza, de manera que no entre nada de luz.
7. Mete la cabeza y observa qué ocurre adentro de la caja.

Conclusiones

- Al insertar la cabeza, ¿qué ocurrió?
- ¿Por qué ocurre esto? Explícalo con tus propias palabras.
- ¿De qué manera las ondas interfieren en este experimento?
- ¿Cuáles son los usos que se le da a esta cámara oscura?