Vibraciones y ondas: energía y movimiento

Vibraciones

¿Alguna vez has estado en una fiesta donde la música está tan fuerte que puedes sentirla? No me refiero solo al ritmo en tu mente. A veces puedes sentir literalmente las vibraciones de la música en el suelo u otros objetos. A las personas a menudo les gusta hacer sonar su música desde sus autos en la carretera, causando un zumbido desagradable en los vehículos cercanos. Pero, ¿cómo obtenemos sensaciones como estas de la música que suena tan lejos? ¿Cómo puede la música viajar desde los altavoces de alguien y causar vibraciones tan poderosas en otros objetos?

Para responder a esta pregunta, exploremos lo que queremos decir cuando decimos la palabra vibración. ¿Qué son las vibraciones? ¿Dónde los encontramos? ¿En una cuerda de guitarra? ¿En un trampolín? ¿Qué tal un platillo en una batería? ¿El suelo en un terremoto? Todos estos son ejemplos de cosas que experimentan vibraciones. En cada caso, hay un objeto que comienza en una posición de reposo, como el platillo en su soporte o la cuerda de la guitarra. El movimiento realizado por el objeto es de ida y vuelta sobre la posición de reposo. Las vibraciones son movimientos oscilantes alrededor de una posición fija.

Cuando un objeto vibra, exhibe un movimiento que se repite sobre el mismo camino de manera periódica. Es decir, el tiempo que se tarda en completar un ciclo de vibración es siempre el mismo. Eche un vistazo a este sistema aquí. Tenemos una masa suspendida de un resorte. Cuando el sistema está en reposo, la masa simplemente se queda ahí en el aire, estirando el resorte hasta cierto punto debido a su peso. Pero, si alguien tira de la masa un poco hacia abajo y la suelta, la masa salta hacia arriba, pasa su posición de reposo y luego oscila hacia arriba y hacia abajo a una cierta frecuencia. Si trazamos su posición a lo largo del tiempo, vemos que hay una naturaleza periódica muy regular en su movimiento. Esta naturaleza se representa mejor en forma de onda .

La masa de un resorte crea una onda a medida que oscila.

Olas

Una onda es una perturbación que viaja a través de un medio de un lugar a otro. Las ondas están formadas por la vibración del objeto o sustancia que lleva la onda. Puedes hacer tus propias olas en una cuerda para saltar creando una vibración en un extremo. Comience con la cuerda para saltar en su posición de reposo, luego mueva un extremo rápidamente hacia arriba y hacia abajo. Creará una ola que viajará a través de la cuerda de un extremo al otro. Si lo hace bien, la ola podría incluso rebotar en el otro extremo y viajar de regreso a su mano.

Todas las ondas son provocadas por algún tipo de vibración. Las vibraciones provocan una perturbación en el medio que se convierte en la fuente de la onda. Piense en las ondas de agua que se forman cuando arroja una piedra a un estanque. La roca que golpea la superficie hace que el agua vibre. Esta vibración perturba el agua circundante, creando ondas que se mueven hacia afuera desde el punto de impacto de la roca.

Si miramos más de cerca una onda típica, podemos ver la naturaleza periódica en la forma de la onda misma. Grafiquemos la onda en función del tiempo. Pondremos segundos a lo largo del eje horizontal y el eje vertical medirá el desplazamiento vertical de la onda. Para que podamos hablar más claramente sobre la ola, la etiquetaremos con letras en diferentes puntos. Las letras A y E muestran los puntos bajos de la onda, que llamamos valles. Las letras C y G muestran las crestas de la ola. Una longitud de onda completa se define como la parte de la onda entre dos crestas sucesivas o entre dos valles. Al observar cómo las crestas y valles se alinean con nuestro eje horizontal, podemos ver que una longitud de onda completa siempre toma la misma cantidad de tiempo. Por eso decimos que las ondas tienen una naturaleza periódica.

Las ondas de vibración están formadas por crestas y valles.

Amplitud y energía

Pero, ¿qué pasa con qué tan alto y bajo oscila la onda? ¿Podemos aprender algo de la altura de la cresta de una ola o de la profundidad de su valle? La distancia entre la línea media de una ola y su cresta o valle se llama amplitud.. Si se tratara de una onda que viaja a través del agua, la amplitud mediría el desplazamiento máximo de las partículas desde su punto de reposo. Es posible que no siempre veamos la amplitud de una onda, especialmente si es una onda de sonido o una onda de luz. Pero la amplitud nos dice algo muy importante. Es una medida de cuánta energía transporta la ola. A medida que las partículas del medio se mueven hacia arriba y hacia abajo con la onda, transfieren energía en la dirección en la que se mueve la onda. Volvamos a esa piedra que arrojaste al estanque. Las olas que se mueven hacia afuera desde el punto de impacto de la roca eventualmente llegarán a la orilla. Están transfiriendo energía desde el lugar donde impactaste el agua y llevando la energía a la orilla. Entonces, las ondas transportan energía. ¿Pero también transportan materia?

La amplitud es una medida de la cantidad de energía contenida en una onda.

Imagina que un pato estaba sentado en el estanque en el momento en que arrojaste la piedra. Tus ondas de agua fluirían hacia la orilla. ¿Pero también llevarían al pato a la orilla? ¡Por supuesto no! Los patos suben y bajan sobre la superficie de las olas. Lo mismo ocurre con las moléculas de agua en las olas. El agua en sí simplemente se mueve hacia arriba y hacia abajo, transfiriendo energía entre las partículas a medida que avanza la ola. Las ondas en realidad no transportan ninguna materia, aunque sí transportan energía. Las ondas de la cuerda para saltar transportan energía, pero las partículas de la cuerda se quedan quietas. Las ondas sonoras transportan energía a través del aire, pero el aire en sí no va a ninguna parte. Entonces, las ondas transportan energía sin transportar materia.

La mejor forma de experimentar este concepto es a través del sonido. Cuando ese conductor toca su música junto a usted en un semáforo, la energía del sonido hace vibrar su automóvil sin transferir ningún material a su manera. Lo mismo ocurre con la música de esa fiesta. Ahora sabemos que las ondas sonoras transportan energía de la fuente de música, los altavoces vibrantes, hacia las personas y los objetos que los rodean. Transfieren esta energía al suelo, las paredes y los oídos de todos los asistentes a la fiesta. Como todas las ondas, las ondas sonoras transportan energía sin transportar materia. Entonces, aunque transfieren energía a otros objetos, no transfieren ninguna cantidad de masa o partículas.

Resumen de la lección

Las vibraciones en objetos y sustancias son movimientos oscilantes que se producen repetidamente en una posición fija. Las vibraciones son el origen de las ondas. Cuando las vibraciones perturban un medio, la perturbación viaja a través del medio, de un lugar a otro, en forma de onda. Las olas viajan por crestas y valles de manera periódica. La porción de una onda entre dos crestas o valles se llama longitud de onda . La amplitud de una onda indica cuánta energía está siendo transferida por la onda. Si bien las ondas transportan energía de un lugar a otro, tenga en cuenta que lo hacen sin transportar materia.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería estar listo para:

• Definir vibración y onda
• Identificar y describir las partes de una ola.
• Explica por qué una onda se llama periódica.
• Entender lo que transporta una ola