Velocidad de las olas en una cuerda estirada
Si alguien pulsa la cuerda de una guitarra, parece que las cuerdas se mueven siguiendo un patrón de onda transversal. Aunque la onda sonora es una onda longitudinal, la onda en la guitarra es transversal. Las partículas de la cuerda se desplazan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
La frecuencia de la onda es el número de ondas que se mueven por segundo. Además, la duración se calcula como el recíproco de la frecuencia de la onda. La longitud de onda es la distancia entre los puntos correspondientes de dos ondas consecutivas.
Los líquidos no están tan densamente empaquetados. En cambio, los gases están relativamente poco compactados. Esto permite que el sonido viaje mucho más rápido a través de un sólido que de un gas. En el agua, el sonido viaja cuatro veces más rápido y más lejos que en el aire.
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Fórmula de las olas
La velocidad de una onda está fijada por el tipo de onda y las propiedades físicas del medio en el que viaja. Una excepción son las ondas electromagnéticas, que pueden viajar a través del vacío. Para la mayoría de las sustancias, el material vibrará obedeciendo a la fuerza de la ley de Hooke cuando una onda lo atraviese y la velocidad no dependerá de la frecuencia. Las ondas electromagnéticas en el vacío y las ondas que viajan a través de un medio lineal se denominan ondas lineales y tienen una velocidad constante. Ejemplos:
Como vimos en el capítulo anterior, existe una relación entre el periodo, la longitud de onda y la velocidad de la onda. El periodo de un corcho que flota en el agua se ve afectado por la rapidez con la que pasa la ola (velocidad de la ola) y la distancia entre los picos (longitud de onda). La relación entre la velocidad, el periodo y la longitud de onda de una onda sinusoidal viene dada por \ (v=\lambda /T\) donde la longitud de onda y el periodo de una onda sinusoidal se definieron anteriormente. Esto también puede escribirse como \(v=\lambda f\) ya que la frecuencia es la inversa del periodo y es cierto para todas las ondas lineales. Obsérvese que, dado que la velocidad de la onda es normalmente una cantidad fija, la frecuencia y la longitud de onda serán inversamente proporcionales; frecuencias más altas significan longitudes de onda más cortas.
¿A qué velocidad viajan las ondas electromagnéticas en el vacío?
Las ondas que se ven en la costa son en realidad ondas de viento y son la suma de muchos componentes que fueron generados por el viento en un sitio distante. Estas componentes viajan a diferentes velocidades, dependiendo de su periodo (el tiempo entre la llegada de crestas sucesivas de estas componentes de la ola).
Por ejemplo, la ola rompiente sobre la que estás surfeando, que parece una sola ola, es en realidad la combinación de muchas olas más pequeñas que llegaron al mismo tiempo aunque viajaron a ese lugar a diferentes velocidades. Cuando estos componentes de las olas se juntan en aguas muy poco profundas, la más grande captura las olas más pequeñas y se mueven a la misma velocidad mientras la combinación empieza a romper.
Mientras están en aguas profundas, muy lejos de la costa, los componentes de las olas más lentos, con el período más corto y la menor distancia entre crestas, podrían estar viajando a menos de 5 millas por hora. Los componentes con los períodos más largos podrían estar moviéndose a más de 35 millas por hora.
Estas olas viajarán miles de kilómetros hasta que choquen con una costa, una isla o un arrecife que las haga romper y perder su energía. Sin embargo, las olas impulsadas por los fuertes vientos que rodean el continente antártico pueden rodear ese continente eternamente sin encontrar tierra. Afortunadamente, cuando alcanzan un tamaño que se mueve tan rápido como la velocidad del viento, éste ya no puede empujarlas y no aumentan de tamaño. La costa del Pacífico de Norteamérica puede verse afectada por las olas de tormenta que se originan cerca de Nueva Zelanda. Estas olas pueden tener la dirección justa para encontrar un camino claro a través de las islas dispersas en el medio del Pacífico y encontrar su camino hacia el continente de la Costa Oeste.
¿Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz?
En Oscilaciones vimos que el movimiento oscilatorio es un tipo importante de comportamiento que puede utilizarse para modelar una amplia gama de fenómenos físicos. El movimiento oscilatorio también es importante porque las oscilaciones pueden generar ondas, que son de importancia fundamental en la física. Muchos de los términos y ecuaciones que estudiamos en el capítulo sobre las oscilaciones se aplican igualmente al movimiento ondulatorio ((Figura)).
Figura 16.2 Del mundo de las energías renovables procede la boya generadora de energía eléctrica. Aunque hay muchas versiones, ésta convierte el movimiento ascendente y descendente, así como el movimiento lateral, de la boya en movimiento de rotación para hacer girar un generador eléctrico, que almacena la energía en baterías.
Una ola del océano es probablemente la primera imagen que viene a la mente cuando se oye la palabra “ola”. Aunque esta ola que rompe, y las olas del océano en general, tienen aparentes similitudes con las características básicas de las olas que discutiremos, los mecanismos que impulsan las olas del océano son muy complejos y están fuera del alcance de este capítulo. Puede parecer natural, e incluso ventajoso, aplicar los conceptos de este capítulo a las olas del océano, pero las olas del océano no son lineales, y los modelos simples presentados en este capítulo no las explican completamente. (crédito: Steve Jurvetson)