Experimento

LAS ONDAS MECANICAS

¿Qué es una onda mecánica?

Una onda mecánica es un tipo de onda que se propaga por un medio material, es decir, las ondas mecánicas son aquellas ondas que viajan a través de un medio material.

De manera que las ondas mecánicas originan una perturbación temporal en el medio por el que se propagan, sin que el medio se transporte.

Por ejemplo, una onda de sonido es una onda mecánica. Las ondas sonoras se propagan a través del aire, así pues, como oscila por un medio material, se trata de una onda mecánica.

Una de las principales características de las ondas mecánicas es que transportan energía. De hecho, la energía que transporta una onda mecánica puede llegar a ser catastrófica, como es el caso de las ondas sísmicas.

En física, las ondas mecánicas también se llaman ondas materiales debido a que necesitan de un medio material para propagarse.

Ejemplos de ondas mecánicas

Después de ver la definición de una onda mecánica, a continuación veremos varios ejemplos de este tipo de ondas para entender el concepto por completo.

Ejemplos de ondas mecánicas:

Las ondas de sonido son ondas mecánicas.
Una onda sísmica también es una onda mecánica.
Las ondas superficiales generadas en la superficie del agua por el impacto de un objeto son mecánicas.
Las ondas que se propagan a través de un resorte son ondas mecánicas.

Características de una onda mecánica

Las ondas mecánicas tienen las siguientes características o partes:

Elongación (y): es la distancia entre la posición de la onda y su posición de equilibrio.
Amplitud (A): es la distancia entre la elongación máxima y su posición de equilibrio.
Cresta: cada uno de los puntos más altos de la onda.
Valle: cada uno de los puntos más bajos de la onda.
Ciclo u oscilación: es el recorrido de la onda desde un punto hasta el siguiente punto equivalente.
Longitud de onda (λ): es la distancia que separa dos puntos equivalentes consecutivos de la onda.
Periodo (T): es el tiempo que se necesita para hacer una oscilación completa.
Frecuencia (f): es el número de oscilaciones o vibraciones que realiza la onda por unidad de tiempo.
$f=\cfrac{1}{T}$
Frecuencia angular (o pulsación) (ω): es la velocidad a la que la onda realiza las oscilaciones.
$\omega=\cfrac{2\cdot \pi}{T}=2\cdot \pi \cdot f$
Velocidad de propagación (v): es la velocidad a la que se propaga la onda.
$v=\cfrac{\lambda}{T}=\lambda\cdot f$

características de una onda mecánica, partes de una onda mecánica

Fórmula de una onda mecánica

La función matemática que nos permite describir el movimiento de una onda mecánica siempre es de la siguiente forma:

$y=f(x\pm v\cdot t)$

Donde:

$y$ es la elongación de la onda.
$x$ es la distancia desde el punto estudiado hasta el origen de la onda.
$v$ es la velocidad de propagación de la onda.
$t$ es el instante de tiempo.

El signo delante de la velocidad de propagación indica si la onda mecánica se desplaza hacia la derecha (signo negativo) o hacia la izquierda (signo positivo).

Si la onda mecánica es una onda armónica, la ecuación de la onda mecánica es y(x,t) = A·sen(k·x ± ω·t + φ0). Esta fórmula sirve para calcular la elongación de un punto de la onda mecánica en una posición determinada y un instante de tiempo concreto.

$y(x,t)=A\cdot \text{sen}(k\cdot x\pm w\cdot t+\phi_0)$

Donde:

$y$ es la elongación de la onda.
$A$ es la amplitud de la onda mecánica.
$x$ es la distancia desde el punto estudiado hasta el origen de la onda.
$k$ es el número de onda, que se calcula mediante la siguiente expresión: $k=\cfrac{2\cdot \pi}{\lambda}$
$\omega$ es la frecuencia angular o pulsación.
$t$ es el instante de tiempo.
$\phi_0$ es la fase inicial de la onda.

Tipos de ondas mecánicas

Los tipos de ondas mecánicas son:

Onda longitudinal: tipo de onda mecánica que oscila en la misma dirección de propagación de la onda.
Onda transversal: tipo de onda mecánica que oscila perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

Onda longitudinal

Una onda longitudinal es una onda mecánica en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio se produce en la misma dirección de propagación de la onda. Es decir, los puntos de una onda longitudinal oscilan longitudinalmente.

Por ejemplo, las ondas sonoras son ondas longitudinales, ya que en este tipo de ondas el desplazamiento de sus puntos es paralelo a la propagación de la onda.

➤ Ver: Características de una onda longitudinal

Onda transversal

Una onda transversal es una onda mecánica cuyas oscilaciones son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Es decir, los puntos de una onda transversal se mueven transversalmente a la dirección de avance de la onda.

Por ejemplo, una cuerda fija por un extremo que oscila es una onda transversal. Si fijamos el extremo de una cuerda y movemos verticalmente su otro extremo, se generan vibraciones perpendiculares a la dirección de avance de la onda de la cuerda, por lo tanto, se trata de una onda transversal.

➤ Ver: Características de una onda transversal

Velocidad de propagación de una onda mecánica

La velocidad de propagación es la velocidad a la que avanza la onda mecánica a través del medio. En general, la velocidad de una onda mecánica se calcula utilizando una fórmula que tiene la siguiente forma:

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\text{propiedad el\'astica}}{\text{propiedad inercial}}}$

A continuación puedes ver la fórmula que sirve para calcular la velocidad de propagación de una onda mecánica en algunos casos particulares de física.

Velocidad de propagación de una onda transversal en una cuerda

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{T}{\mu}}$

Donde:

$T$ es la tensión de la cuerda.
$\mu$ es la densidad lineal de masa de la cuerda.

Velocidad de propagación de una onda longitudinal en un sólido

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{E}{\rho}}$

Donde:

$E$ es el módulo de Young del sólido.
$\rho$ es la densidad del sólido.

Velocidad de propagación de una onda longitudinal en un gas (sonido)

$\displaystyle v=\sqrt{\frac{\gamma \cdot R\cdot T}{M}}$

Donde:

$\gamma$ es el coeficiente adiabático del gas (en el caso del aire $\gamma=1,4$ ).
$T$ es la temperatura del gas expresada en kelvin.
$R$ es la constante de los gases ideales, $\displaystyle R=8,31 \ \frac{J}{mol\cdot K}$ .
$M$ es la masa molecular del gas.