Forma de Onda: Significado, partes y diagrama

Publicado el 7 abril, 2024 por Rodrigo Ricardo

Física

¿Qué es una forma de onda?

Una forma de onda es una representación gráfica de una señal en forma de onda. Puede tener forma tanto sinusoidal como cuadrada, según el tipo de entrada generadora de ondas. Hay dos tipos de ondas mecánicas: ondas longitudinales y ondas transversales. Una onda longitudinal es aquella donde todas las partículas del medio vibran en la misma dirección que la onda. Cuando las ondas longitudinales viajan, incluyen compresiones y rarefacciones. En el caso de una onda transversal, todas las partículas del medio vibran perpendicularmente en ángulo recto, hacia arriba y hacia abajo, y continúan moviéndose en la dirección de la onda. Una onda sonora es un patrón de perturbación causado por el movimiento de energía que viaja a través de un medio a medida que se propaga lejos de la fuente del sonido. Las ondas sonoras se crean mediante vibraciones de objetos y producen ondas de presión, por ejemplo, el timbre de un teléfono móvil. Las ondas sonoras son ondas longitudinales. En física, el sonido se produce en forma de onda de presión. Cuando un objeto vibra, hace que las moléculas de aire circundantes vibren, iniciando una reacción en cadena de vibraciones de ondas sonoras en todo el medio.

Ilustración que muestra las ondas sonoras de una campana hacia un oído.

Comprensión de las formas de onda en física

Las formas de onda son esenciales en física para permitir la interpretación de información importante sobre cómo las ondas transfieren la energía. Las cinco características principales de las ondas sonoras incluyen longitud de onda, amplitud, frecuencia, período de tiempo y velocidad. El sonido se mueve a través de un medio como el aire o el agua como ondas. Se mide en términos de frecuencia y amplitud. La amplitud es la fuerza relativa de las ondas sonoras, que percibimos como intensidad o volumen. La amplitud se mide en decibeles (dB), que se refieren al nivel o intensidad de la presión sonora.

La frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto determinado en un segundo. Si una onda tiene una frecuencia más alta, entonces se transfiere más energía a los objetos que absorben esa onda en un segundo determinado, en comparación con una onda con una frecuencia más baja. Las partículas se mueven alrededor del equilibrio medio o posición media con el tiempo en un movimiento ondulatorio sinusoidal. Las partículas ascienden hasta alcanzar el punto más alto, la cresta, y luego continúan cayendo hasta llegar al punto más bajo, el valle. El ciclo se repite siguiendo un patrón uniforme. El período de tiempo de oscilación de una onda se define como el tiempo que tarda cualquier elemento de cuerda en completar dicha oscilación. La fórmula del período de tiempo viene dada por: T = \frac{2 \pi}{\omega} {/eq}.

Considerando una onda armónica progresiva plana, el desplazamiento de una onda sinusoidal que viaja en la dirección x (positiva) se menciona a continuación:

{eq}y = a \sin \left( kx – \omega t + \phi \right) {/eq}

Aquí, {eq}a {/eq} denota la amplitud de la onda, el número de onda angular se denota por {eq}k {/eq}, mientras que {eq}\phi {/eq} es la frecuencia angular. La fase se menciona como {eq}\left ( kx – \omega t + \phi \right) {/eq}, y {eq}\omega {/eq} significa el ángulo de fase o la constante de fase. mientras que la amplitud de la onda define los extremos del desplazamiento del componente.

Partes de forma de onda

Las partes de las formas de onda son las siguientes.

Cresta de ola: La parte más alta de una ola.
Valle de la Onda: La parte más baja de una ola.
Altura de la ola: La distancia vertical entre el valle de la ola y la cresta de la ola.
Longitud de onda: La distancia entre dos crestas de onda consecutivas o entre dos valles de onda consecutivos.
Frecuencia de onda: el número de ondas que pasan por un punto fijo en un período de tiempo específico.
Período de onda: el tiempo que tardan dos crestas sucesivas (una longitud de onda) en pasar por un punto específico. El período de la ola a menudo se expresa en segundos.

Las ondas sinusoidales son una de las formas más comunes de onda eléctrica o electrónica. Las ondas sinusoidales son las formas de onda que se ven al mostrar las formas de onda del suministro eléctrico o de la red eléctrica, la mayoría de las formas de onda de RF o radiofrecuencia, así como algunas señales de prueba de audio.

Ilustración de una onda sinusoidal en un gráfico.

Formas de onda periódicas

Una onda periódica es el nombre que se le da a cualquier patrón que se repite con longitud de onda y frecuencia constantes. Podemos describir una onda periódica por características como amplitud, frecuencia y período de tiempo. Los ejemplos incluyen ondas sonoras (longitudinales), ondas de luz (transversales), ondas de agua y generadores de CA. Si consideramos las ondas sonoras, podemos relacionar cada forma con los siguientes ejemplos.

Las ondas sinusoidales son las formas de onda más reconocidas. Tienen una señal pura e ideal. En realidad, el productor más cercano de ondas puras es el diapasón.
Las ondas complejas constan de dos o más ondas sinusoidales combinadas. El efecto de esto cuando se aplica al sonido es una disminución de la calidad, aunque esto a menudo no es detectado por el oído humano.
Las ondas triangulares crean un sonido mucho más agudo y son generadas por la mayoría de los instrumentos de cuerda debido a los cambios de fricción durante el movimiento de la cuerda, ya sea punteando o usando un arco.
Las ondas cuadradas representan una señal digital de encendido o apagado. Esta repetición ocurre de manera idéntica, o casi idéntica, una y otra vez.
La onda en diente de sierra (u onda de sierra) es un tipo de forma de onda no sinusoidal. Se llama así por su parecido con los dientes de una sierra. La convención es que una onda en dientes de sierra sube y luego cae bruscamente.

Características clave de una forma de onda periódica:

Repetición: la forma de onda se repite a intervalos regulares. Esto significa que después de una cierta duración (el período), el patrón de forma de onda vuelve a ocurrir.
Forma consistente: cada ciclo de la forma de onda mantiene la misma forma, amplitud y frecuencia en todo momento.
Frecuencia y período: la frecuencia de una forma de onda periódica es el número de ciclos que ocurren en un segundo y se mide en Hercios (Hz). El período es la duración de un ciclo {eq}(T = \frac{1}{frequency} ) {/eq}. Ejemplos comunes de formas de onda periódicas incluyen ondas sinusoidales, ondas cuadradas, ondas triangulares y ondas en dientes de sierra. Estas formas de onda son fundamentales para comprender y analizar diversas formas de señales, incluidas señales eléctricas, ondas sonoras y ondas de luz.

Ejemplo de diagrama de ondas sonoras

Un ejemplo de la vida real de viajar con sonido es cuando creamos ruido durante un día lluvioso o húmedo, podemos observar que el sonido viaja mucho más rápido en condiciones climáticas húmedas que en un día normal. Esto se debe a que, en un día normal, el aire se compone más de gases, donde las moléculas están muy alejadas unas de otras. Por lo tanto, la ola tarda un tiempo en llegar a su destino. El clima húmedo se compone de vapores de agua que tienen moléculas comparativamente más cercanas entre sí. Por tanto, una perturbación viaja más rápidamente.

Las ondas sonoras son un tipo de energía que se libera cuando un objeto vibra. Esas ondas acústicas viajan desde su fuente a través del aire u otro medio, y cuando entran en contacto con nuestros tímpanos, nuestro cerebro traduce las ondas de presión en palabras, música o señales que podemos entender. Estos pulsos te ayudan a ubicar dónde están las cosas en tu entorno. Podemos experimentar las ondas sonoras de formas más físicas, no sólo fisiológicas. Si las ondas sonoras llegan a un micrófono, este las transforma en impulsos electrónicos que se convierten nuevamente en sonido mediante la vibración de los altavoces. La mayoría de las ondas sonoras, incluidos los sonidos musicales que realmente llegan a nuestros oídos, no son ondas estacionarias. Normalmente, cuando algo forma una ola, la ola viaja hacia afuera, extendiéndose gradualmente y perdiendo fuerza, como las olas que se alejan de un guijarro arrojado a un estanque. Pero cuando la onda encuentra algo, puede rebotar (reflexión) o doblarse (refracción). De hecho, puedes “atrapar” ondas haciéndolas rebotar entre dos o más superficies. Los instrumentos musicales aprovechan esto; Producen tonos atrapando ondas sonoras. Cualquier conjunto de ondas sonoras producirá algún tipo de ruido. Un ruido es una mezcla de ondas sonoras. Un tono es un conjunto muy regular de ondas, todas del mismo tamaño y a la misma distancia entre sí. Pero para ser un tono (un sonido con un tono particular) un grupo de ondas sonoras tiene que ser muy regular y estar todas exactamente a la misma distancia entre sí.

Un sonido producido por objetos como un tambor o un despertador se transporta desde el objeto hasta los oídos a través del aire, que actúa como medio. El sonido producido tiene forma de vibración. Primero ingresa a los oídos a través de la parte exterior del oído en forma de embudo. Desciende a través de un canal hasta el tímpano (la fina membrana se estira con fuerza). El tímpano juega un papel importante en el funcionamiento de los oídos. Las vibraciones producidas por los objetos llegan al tímpano a través del aire. Estas vibraciones se producen para hacer vibrar el tímpano. Y luego las vibraciones pasan al oído interno a través de los huesos o huesecillos del oído medio. La forma del oído interno es como la de un caracol. El oído interno también se denomina cóclea. Hay una gran cantidad de pequeñas células ciliadas dentro de la cóclea. Estas células ciliadas convierten las vibraciones en señales eléctricas que luego se transfieren al cerebro a través del nervio auditivo. Cada célula ciliada consta de pequeños estereocilios adheridos en la parte superior. El sonido mueve los estereocilios hacia adelante y hacia atrás. Los estereocilios pueden doblarse o romperse si el sonido detectado es fuerte. Esto puede provocar la muerte de células ciliadas, por lo que ya no se pueden transferir más sonidos al cerebro.

Resumen de la lección

Comprender las formas de onda es crucial en varios campos, ya que sirve como representación gráfica del comportamiento de una onda en el tiempo o la distancia. En física, una forma de onda ilustra la variación de amplitud de una onda, mientras que en el ámbito del sonido, muestra las fluctuaciones en la presión del aire causadas por las ondas sonoras. Estas ondas, específicamente las ondas sonoras, son longitudinales y se propagan a través de un medio comprimiendo y descomprimiendo moléculas. Una forma de onda fundamental, la onda sinusoidal , abarca elementos clave como amplitud, frecuencia, fase y longitud de onda. Más allá de las ondas sinusoidales, otras formas de onda periódicas , como las ondas cuadradas, triangulares y en dientes de sierra, exhiben formas y composiciones de frecuencia distintas.

Las ondas sonoras se propagan a través de medios como el aire creando regiones alternas de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción). Por ejemplo, cuando suena una campana, comprime y enrarece las moléculas de aire, creando una serie de estas regiones que viajan hacia afuera. A medida que las ondas se mueven, transportan la energía del sonido. La intensidad del sonido disminuye a medida que las ondas se extienden, perdiendo energía con la distancia. Cuando estas ondas encuentran superficies u objetos, se reflejan, refractan o difractan, lo que afecta su propagación posterior y la forma en que percibimos el sonido.

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