Fórmula de Newton para ondas longitudinales: definición y ejemplos

Ondas longitudinales

Nos encontramos con olas todos los días en nuestras vidas, como cuando notamos que las olas de la playa golpean la costa mientras tomamos los rayos en la playa o las olas que se producen cuando hablamos con nuestros amigos en nuestros teléfonos celulares. Pero para comprender mejor cómo funcionan las ondas, primero es importante que podamos distinguir entre los dos tipos de ondas: transversales y longitudinales. Las ondas transversales son ondas que ves en una playa donde las partículas de la onda se mueven perpendicularmente a la dirección del movimiento de la onda. En términos más simples, poseen un movimiento hacia arriba y hacia abajo. Estas ondas solo viajan principalmente a través de sólidos como una cuerda vibrante, por ejemplo. Las ondas longitudinales se mueven paralelas a la dirección del movimiento de la onda, como las ondas sonoras. En otras palabras, poseen un movimiento de ida y vuelta.

A diferencia de las ondas transversales, las ondas longitudinales viajan en los tres tipos de medio, incluidos sólidos, líquidos y gases. Similar a las crestas y valles de las ondas transversales, las ondas longitudinales tienen compresiones y rarefacciones , respectivamente. Las compresiones indican dónde las partículas de la onda contienen la densidad más alta, mientras que las rarefacciones indican la densidad más baja.

Ondas transversales vs longitudinales

La longitud de onda de una onda longitudinal es la distancia de una compresión a otra compresión o de una rarefacción a otra. Es similar a la distancia de una cresta a otra o de una vaguada a otra en una onda transversal. La amplitud es la distancia entre una compresión y una rarefacción y está relacionada con la cantidad de energía total de esa onda. Otra característica de las ondas longitudinales es su velocidad, por lo que se mueven más rápido en sólidos y más lento en gases.

Ondas newtonianas

Isaac Newton, un científico que vivió entre 1643 y 1727, articuló las leyes del movimiento y la gravedad y allanó el camino para la física moderna. Su trabajo sobre ondas longitudinales involucró la noción de que las ondas que viajan en un gas, como en el aire, lo hacen a una temperatura constante, lo que se considera un proceso isotérmico . Estas ondas viajan a una velocidad c donde

donde P es la presión atmosférica igual a 1.1013×10 ^ 5 N / m ^ 2 yp es la densidad del aire es igual a la densidad del aire a 1.293 Kg / m ^ 3. Por lo tanto, Newton calculó que la velocidad es igual a 280 m / s, lo que no es muy diferente del cálculo moderno de esta velocidad a 332 m / s con correcciones incluidas.

Sin embargo, un problema con la fórmula de Newton fue que asumió que había un proceso isotérmico. El científico francés Pierre-Simon Laplace notó este error y lo solucionó mostrando que la suposición de Newton de un proceso isotérmico era incorrecta. Más bien, Laplace argumentó que Newton se olvidó de medir la influencia del calor y, por lo tanto, propuso una ligera variación de la fórmula. La fórmula de Laplace entonces era:

¿Notas una nueva adición a la fórmula? Es el signo gamma, que explica el efecto del calor en la velocidad de una onda de sonido.

A menudo, la gente se referirá a la fórmula como la ecuación de Newton-Laplace, para reconocer la contribución de ambos científicos a la fórmula.

Ondas sísmicas

Este descubrimiento de Newton está relacionado con el estudio de la geofísica sísmica moderna. Los científicos modernos en este campo miden el tiempo que tarda el sonido en recuperarse de las capas de la Tierra que les interesan.

Las ondas sísmicas son ondas longitudinales que contienen energía provocada por terremotos o erupciones volcánicas. Este tipo de ondas son estudiadas por sismólogos que registran la cantidad de energía que producen estas ondas para estudiar el interior de la Tierra. También descubrieron que este tipo de ondas, a diferencia de las ondas transversales, podían viajar a diferentes lugares del mundo. Por lo tanto, determinaron que debido a que solo las ondas longitudinales pueden viajar también a través de un líquido, las partes externas de la Tierra deben estar hechas de líquido.

Ondas sonoras

Las ondas sonoras son un tipo típico de onda longitudinal mediante el cual la vibración que se mueve a través del aire se mueve en paralelo a su dirección de viaje y luego a nuestros tímpanos. Nos encontramos con ondas sonoras todo el tiempo, pero apenas notamos que sin el aire que respiramos, no habría ningún sonido para escuchar. Por lo tanto, es importante conocer y comprender este tipo de ondas.

Resumen de la lección

Las ondas longitudinales que encontramos en la vida cotidiana, como las ondas sonoras, son similares a las ondas transversales o las ondas que ves en la playa moviéndose hacia arriba y hacia abajo. Este tipo de ondas también se producen cuando ocurre un terremoto o una erupción volcánica. Las ondas longitudinales también poseen características similares a las ondas transversales, como la compresión y la rarefacción, que describen que las partículas de la onda están más juntas y más separadas, respectivamente. La amplitud es la distancia de una compresión a otra o de una rarefacción a otra. La fórmula de Newton para ondas longitudinales involucraba la idea de que las ondas viajan a través del aire como un proceso isotérmico y con una velocidad escrita por Newton:

El científico francés Pierre-Simon Laplace notó que Newton asumió erróneamente un proceso isotérmico y emitió una nueva fórmula para corregir este error. La fórmula se llama fórmula de Newton-Laplace. Tiene muchas aplicaciones en la medida de ondas sísmicas y ondas sonoras.