Onda mecánica para niños

Enciclopedia para niños

Las ondas mecánicas son movimientos especiales que se producen en materiales como el aire, el agua o los sólidos. Imagina que lanzas una piedra a un estanque: verás cómo se forman círculos que se mueven hacia afuera. Esos círculos son ondas. Lo más importante es que las ondas mecánicas transportan energía e información, pero no transportan la materia del lugar. Por ejemplo, las moléculas de agua en el estanque suben y bajan, pero no viajan con la onda.

Algunos ejemplos de ondas mecánicas son:

Las ondas en el agua.
Las ondas sísmicas (las que causan los terremotos).
El sonido, que es un tipo de onda mecánica muy importante.

Para que una onda mecánica exista, necesita varias cosas:

Un medio material: Es el material por donde viaja la onda, como el aire, el agua, una cuerda o un metal.
Una fuente: Algo que cree la perturbación inicial, como tu voz, un instrumento musical o una piedra que cae.
Una forma de propagarse: Cuando la fuente crea la perturbación, las partículas del medio (átomos o moléculas) cercanas empiezan a moverse y transmiten ese movimiento a las partículas de al lado. Así, el movimiento se va extendiendo.
Un receptor: Algo que reciba la energía y la información que lleva la onda, como tu oído cuando escuchas un sonido.

Las ondas se mueven a través del espacio y el tiempo. Piensa en una ola en el mar: se mueve por la superficie (espacio) y la ves pasar en un momento determinado (tiempo).

Contenido

¿Qué son las ondas mecánicas?
Tipos de ondas mecánicas
La Ecuación de Ondas
Energía de las ondas mecánicas
- ¿Qué transporta el movimiento ondulatorio?
- La potencia y la intensidad de las ondas
El sonido: un tipo especial de onda mecánica
Galería de imágenes
Véase también

¿Qué son las ondas mecánicas?

Ondas circulares generadas en la superficie del agua al golpearla con los dedos (fuente de las ondas)

Las ondas mecánicas son como un "mensaje" que viaja a través de un material. Cuando una onda se propaga, las partículas del material se mueven un poco de un lado a otro, pero luego vuelven a su lugar original. Es como si pasara un "empujón" o una "sacudida" que se transmite de una partícula a otra.

Por ejemplo, si tensas una cuerda y la sacudes rápidamente en un extremo, verás cómo esa sacudida viaja por toda la cuerda. La cuerda se mueve, pero no se desplaza de su sitio. Lo que se mueve es la energía de la sacudida. Cuanto más tensa esté la cuerda, más rápido viajará la onda.

Las ondas transportan energía de un lugar a otro. La energía que se le da a la onda al principio es la que permite que las partículas del medio se muevan. Por ejemplo, la energía de una piedra al caer al agua crea las ondas, o la energía del viento crea las olas en el mar.

Las ondas son más complejas que un simple movimiento de vaivén (como un columpio). En un columpio, solo importa el tiempo. Pero en una onda, importa tanto el tiempo como la posición en el espacio. Por eso, para describir una onda, necesitamos saber cuánto tiempo tarda en repetirse (su periodo) y qué distancia ocupa un ciclo completo de la onda (su longitud de onda).

Tipos de ondas mecánicas

Las ondas mecánicas se pueden clasificar de varias maneras, por ejemplo, según cómo se mueven las partículas del medio en relación con la dirección en que viaja la onda.

Ondas viajeras: ¿Cómo se mueven?

Una onda viajera es una perturbación que se mueve por un medio a una velocidad constante. Imagina un pulso que viaja por una cuerda: el pulso mantiene su forma mientras se desplaza.

Las ondas viajeras pueden moverse en diferentes direcciones. Si una onda se mueve hacia la derecha, la describimos de una manera, y si se mueve hacia la izquierda, de otra. Lo importante es que la forma de la onda se mantiene mientras viaja.

Las ondas viajeras pueden ser de dos tipos principales:

Ondas transversales: Las partículas del medio se mueven de forma perpendicular a la dirección en que viaja la onda. Un ejemplo claro es una onda en una cuerda: la onda viaja a lo largo de la cuerda, pero los puntos de la cuerda se mueven hacia arriba y hacia abajo.
Ondas longitudinales: Las partículas del medio se mueven en la misma dirección en que viaja la onda. El sonido es un ejemplo de onda longitudinal. Cuando el sonido viaja por el aire, las moléculas de aire se empujan y se separan en la misma dirección en que el sonido avanza, creando zonas de mayor presión (compresión) y menor presión (expansión).

Ondas periódicas: ¿Cuándo se repiten?

Representación de una onda sinusoidal de amplitud 4 cm y número de onda

k= 0.25 \pi \ rad/m

para un tiempo fijo t_B en función de la posición. La longitud de onda

\lambda

aparece descrita gráficamente.

Las ondas periódicas son aquellas que se repiten de forma regular, tanto en el tiempo como en el espacio.

Periodicidad temporal (Periodo T): Si te fijas en un punto específico del medio, verás que el movimiento de la onda se repite cada cierto tiempo. El tiempo más corto en el que la onda vuelve a su estado inicial se llama periodo (T).
Periodicidad espacial (Longitud de onda λ): Si tomas una "foto" de la onda en un momento dado, verás que su forma se repite cada cierta distancia. La distancia más corta en la que la onda se repite se llama longitud de onda (λ).

La onda periódica más sencilla es la onda sinusoidal (con forma de seno o coseno). Estas ondas son muy importantes porque cualquier onda periódica más compleja puede formarse a partir de la combinación de varias ondas sinusoidales.

Ondas periódicas transversales

Generación de un pulso transversal que se propaga por la cuerda

En estas ondas, las partículas del medio se mueven de forma periódica y perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Un buen ejemplo es una cuerda de guitarra que vibra. La cuerda se mueve de arriba abajo, pero la onda viaja a lo largo de la cuerda.

La velocidad de una onda (v) está relacionada con su longitud de onda (λ) y su periodo (T) o frecuencia (f) de esta manera:

Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): v = \lambda / T
Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): v = \lambda \cdot f (donde f es la frecuencia, que es 1/T)

Ondas periódicas longitudinales

Generación de ondas periódicas en el seno de un fluido dispuesto en el interior de un tubo muy largo por el extremo derecho. Un émbolo situado en el extremo izquierdo provoca expansiones y compresiones en el fluido que se propagan en forma de una onda periódica.

Aquí, las partículas del medio oscilan en la misma dirección en que la onda se propaga. Imagina un tubo lleno de aire y un pistón que lo empuja y lo jala. Cuando el pistón empuja, el aire se comprime (las moléculas se juntan); cuando jala, el aire se expande (las moléculas se separan). Estas compresiones y expansiones viajan a lo largo del tubo, formando una onda longitudinal. El sonido es un ejemplo perfecto de esto.

Ondas estacionarias: ¿Cuándo se quedan en un lugar?

Onda estacionaria (línea negrita). Está generada por la superposición de una onda progresiva que se propaga hacia la derecha (en azul) y una onda regresiva que se propaga hacia la izquierda (en rojo) de la misma amplitud, a lo largo del eje x con la misma velocidad. Los puntos rojos representan los nodos de la onda.

Las ondas estacionarias son un tipo especial de onda que parece no moverse. Se forman cuando dos ondas viajeras idénticas se encuentran y se superponen, pero viajan en direcciones opuestas. El resultado es una onda que vibra en su lugar, con puntos fijos que no se mueven (llamados nodos) y puntos donde la vibración es máxima (llamados vientres o antinodos).

Un ejemplo clásico son las cuerdas de los instrumentos musicales como la guitarra o el violín. Cuando tocas una cuerda, se forman ondas estacionarias entre los puntos fijos de la cuerda. Solo ciertas frecuencias (y, por lo tanto, ciertas longitudes de onda) pueden existir en una cuerda de longitud determinada. Estas frecuencias se llaman modos normales de vibración o armónicos.

El modo fundamental (o primer modo) es la vibración más simple, con un vientre en el centro y nodos en los extremos.
Los armónicos son vibraciones más complejas que tienen frecuencias que son múltiplos de la frecuencia fundamental. Por ejemplo, el primer armónico (o segundo modo) tiene dos vientres y tres nodos.

Estos modos normales son muy importantes en la música, ya que son los que producen las diferentes notas y timbres de los instrumentos.

La Ecuación de Ondas

Para entender cómo se mueven las ondas y predecir su comportamiento, los científicos usan una herramienta matemática llamada la Ecuación de Ondas. Es una fórmula que relaciona cómo cambia la onda en el espacio y en el tiempo. En ella, aparece la velocidad a la que se propaga la onda.

Una propiedad importante de la Ecuación de Ondas es que es "lineal". Esto significa que si tienes dos ondas que pueden existir por separado, cuando se encuentran, simplemente se suman. Esto se conoce como el Principio de Superposición. Por ejemplo, si dos personas hablan al mismo tiempo, sus voces se combinan, pero cada voz sigue existiendo y puedes distinguirlas.

Energía de las ondas mecánicas

¿Qué transporta el movimiento ondulatorio?

Cuando una onda mecánica se propaga, no transporta materia. Las partículas del medio solo se mueven un poco alrededor de su posición original. Lo que sí transporta la onda es energía. Esta energía es la que permite que las partículas se muevan. Por ejemplo, la energía de las olas puede ser tan grande que causa erosión en la costa, o la energía de las ondas sísmicas puede causar terremotos y daños.

Para crear una onda, se necesita aplicar energía. Si quieres una onda continua (como el sonido de una nota musical sostenida), necesitas suministrar energía de forma constante.

La potencia y la intensidad de las ondas

Para medir la energía que transportan las ondas, usamos dos conceptos:

Potencia: Es la cantidad de energía que la onda transporta por unidad de tiempo. Se usa para describir la "fuerza" de la fuente que genera la onda.
Intensidad: Es la potencia que llega a una superficie por unidad de área. Es lo que sentimos o detectamos. Por ejemplo, el oído humano es sensible a la intensidad del sonido.

La intensidad de una onda depende de su amplitud (qué tan "grande" es la perturbación) y de la distancia a la fuente.

En las ondas planas, la intensidad se mantiene constante porque la energía se distribuye en una superficie que no cambia.
En las ondas esféricas (como el sonido que se propaga desde una fuente puntual en todas direcciones), la intensidad disminuye a medida que te alejas de la fuente. Esto se debe a que la energía se reparte en superficies cada vez más grandes (esferas de mayor radio). Por eso, un sonido se escucha más fuerte cerca de su origen y más débil lejos.

El sonido: un tipo especial de onda mecánica

Violinista generando ondas sonoras al presionar con el arco las cuerdas tensadas del violín

El sonido es una onda longitudinal que viaja a través de un material (sólido, líquido o gas) y que puede ser escuchada por el oído humano. El oído humano puede detectar sonidos en un rango de frecuencias que va desde los 20 Hz (muy graves) hasta los 20.000 Hz (muy agudos).

Podemos clasificar las ondas sonoras según su frecuencia:

Ondas audibles: Son las que podemos escuchar (entre 20 Hz y 20.000 Hz). Incluyen la voz humana, la música y los ruidos cotidianos.
Ondas infrasónicas: Tienen frecuencias por debajo de lo que podemos oír (menos de 20 Hz). Algunos animales, como los elefantes, las usan para comunicarse a largas distancias.
Ondas ultrasónicas: Tienen frecuencias por encima de lo que podemos oír (más de 20.000 Hz). Se usan en muchas aplicaciones, como las ecografías (para ver el interior del cuerpo) o los silbatos para perros (que los humanos no oyen).

Velocidad del sonido

La velocidad a la que viaja el sonido depende del material por el que se propaga. En general, el sonido viaja más rápido en los sólidos que en los líquidos, y más rápido en los líquidos que en los gases. Esto se debe a que las partículas están más juntas en los sólidos, lo que facilita la transmisión de la vibración.

En un fluido (líquido o gas), la velocidad del sonido depende de qué tan fácil sea comprimir el material y de su densidad.
En un sólido, la velocidad del sonido depende de su elasticidad (qué tan "rígido" es) y de su densidad.
En los gases, la velocidad del sonido también depende de la temperatura del gas. Por ejemplo, en el aire a temperatura ambiente, el sonido viaja a unos 343 metros por segundo.

El sonido como fluctuaciones de presión

Un oído joven es capaz de escuchar los sonidos dentro de un intervalo de frecuencias comprendido entre 20 Hz y 20 kHz. Con la edad ese intervalo se va estrechando.

Las ondas sonoras se pueden describir de varias maneras:

Como pequeños movimientos de las partículas del medio (ondas de desplazamiento).
Como cambios en la densidad del medio (ondas de densidad).
Como cambios en la presión del medio (ondas de presión).

La forma más común de describir el sonido es como una onda de presión. Esto se debe a que nuestro oído detecta los pequeños cambios de presión en el aire. Cuando una onda sonora pasa, la presión del aire sube y baja ligeramente con respecto a la presión normal del ambiente. Estas pequeñas variaciones de presión son las que nuestro tímpano detecta y convierte en señales que nuestro cerebro interpreta como sonido.

Es interesante notar que los puntos donde la presión es máxima o mínima corresponden a los puntos donde el movimiento de las partículas es cero, y viceversa.

Nivel de Intensidad sonora (Decibelios)

El oído humano puede escuchar un rango muy amplio de intensidades de sonido, desde un susurro muy débil hasta un ruido muy fuerte. Para manejar este rango tan grande, se usa una escala especial llamada escala logarítmica, que mide el nivel de intensidad sonora en decibelios (dB).

El umbral de audición (el sonido más débil que podemos oír) es de 0 dB.
El umbral del dolor (un sonido tan fuerte que puede dañar el oído) es de unos 120 dB.

Un instrumento llamado sonómetro se usa para medir el nivel sonoro en decibelios.

Fuente	$I/I_0$	dB	Descripción
	$10^0$	0	Umbral de audición
Respiración normal	$10^1$	10	Escasamente audible
Rumor de hojas	$10^2$	20
Conversación en voz muy baja (a 5m)	$10^3$	30	Apenas ruidoso
Biblioteca	$10^4$	40
Oficina tranquila	$10^5$	50	Poco ruidoso
Conversación normal (a 1m)	$10^6$	60
Tráfico denso	$10^7$	70
Oficina ruidosa con máquinas; fábrica de tipo medio	$10^8$	80
Camión pesado (a 15m); Cataratas del Niágara	$10^9$	90	La exposición constante daña al oído
Tren de metro antiguo	$10^{10}$	100
Ruido de construcción (a 3m)	$10^{11}$	110
Concierto de rock con amplificadores(a 2m) despliegue de un reactor (a 60m)	$10^{12}$	120	Umbral de dolor
Remachadora neumática; ametralladora	$10^{13}$	130
Despegue de un reactor (cercano)	$10^{15}$	150
Motor de cohete grande (cercano)	$10^{18}$	180

Galería de imágenes

Ondas sonoras en cuerdas tensas de instrumentos musicales. Reproducción del organistrum del Pórtico de la Gloria, Santiago de Compostela (España)
Ondas Viajeras. En negro la onda en el instante $t$ =0. En color verde la onda se propaga hacia la derecha, onda progresiva, y mantiene su forma en instantes t posteriores. En color rojo la onda se propaga hacia la izquierda, onda regresiva, y mantiene su forma en instantes $t$ posteriores.
En esta animación se muestra cómo al ir aumentando la frecuencia $f$ , el periodo $T$ va disminuyendo. La amplitud se ha mantenido constante e igual a 1 mm.
Avance de la onda en un tiempo igual al periodo T. El espacio recorrido por la onda en un periodo es su longitud de onda $\lambda = v T$ , siendo v la velocidad de propagación.
Generación de ondas sonoras en tubos de fluido (aire). Tubo de Kundt. En azul la onda de desplazamiento, en naranja la onda de presión.
Frente de onda de una onda plana viajando en el espacio tridimensional
Onda esférica.
Modos normales en una cuerda de violín. El modo fundamental y los primeros 5 armónicos. Expresado de otra forma: los seis primeros modos de oscilación de la cuerda.
Una foto con flash de una taza de café negro vibrando en modo normal.
Diagrama de propagación de una onda armónica por una cuerda con una velocidad de propagación constante
Diagrama de fuerzas en un pequeño fragmento AB de una cuerda al paso de una onda. Se observan las fuerzas tangenciales que actúan en cada extremo del fragmento AB de la cuerda. El fragmento se encuentra desplazado una cantidad $y$ de su posición de equilibrio y realiza un movimiento transversal en la dirección del eje vertical.
Propagación de un pulso en una cuerda. Las secciones de la cuerda (por ejemplo la seleccionada con la flecha) se desplazan en ambos sentidos de la dirección vertical al ser alcanzadas por el avance del pulso de izquierda a derecha. La onda transporta energía que, a su paso, va suministrando a las secciones de la cuerda en forma de energía cinética
Onda transversal en una cuerda. Ampliación de la misma, en una posición de coordenada $x$ , correspondiente a un pequeño fragmento que abarca un $\Delta x$ en el eje $x$ . Se observa la fuerza $F$ tangencial a la cuerda, sus proyecciones en los ejes $x$ e $y$ , así como el ángulo $\alpha$ utilizado para calcular la potencia generada por la onda, $P(x,t)$ , en un instante $t$ a su paso por la posición $x$ .
Potencia instantánea transportada por una onda armónica. Su periodo es la mitad que la de la onda que la genera. Se puede deducir a partir de la pequeña fuerza ejercida sobre una cuerda tensada en sus extremos.
Fuente puntual de ondas esféricas.
Onda sonora de presión. Diagrama que representa una pequeña perturbación (oscilación ) de la presión (en pascales, Pa) respecto de la presión atmosférica P de equilibrio (alrededor de $P_{eq}= 10^5 \ Pa$ ) en función del tiempo t, en una posición fija.
Generación de ondas sonoras longitudinales en un tubo de fluido. Se muestran las zonas de compresión y de enrarecimiento al pasar la perturbación, así como la periodicidad espacial de las mismas en un instante dado; La onda avanza hacia la derecha con una velocidad de propagación $v$ .

Véase también

En inglés: Mechanical wave Facts for Kids

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