naturaleza de la mecanica ondulatoria

Bloque 3

Naturaleza de la mecánica ondulatoria

 

 

Fenómenos y naturaleza de la luz

Naturaleza de la luz

La luz sostiene toda fuente de vida de la tierra. Sin ella no se podría vivir; la teoría de extinción de los dinosaurios a postulado que una capa de polvo que cubrió la tierra durante  muchos años,  lo cual impidió el paso de la luz y ocasiono cambios en el clima del planeta que causarían la muerte de aquellos animales prehistóricos. La luz nos permite usar  a toda capacidad nuestro sentí de la vista.

Las fuentes luminosas generan su propia luz ya sea natural o artificial y esta fuente se le llama fuente luminosa. La luz es una forma de energía que viaja en forma de un movimiento ondulatorio, y como tal es absorbida y emitida por un objeto que la transmite asta llegar a nuestro ojos.

En 1704 Isaac newton propuso que la luz  estaba compuesta por pequeñísimas partículas emitida por todos los objetos llamados corpúsculos.

 

Teoría de Planck  y Einstein 

Cuando Maxwell descubrió que la luz es una onda electromagnética, muchos fenómenos atómicos fueron descubiertos pues esto implicaba que la luz , al interactuar con la metería no solamente se refleja , revota o difractaba. Está energía se encuentra expresada en la ecuación que Planck propuso.

E=h-v

En 1865 el físico james C. Maxwell publica que su teoría electromagnética , en la que predecía que las ondas electromagnéticas  podía programarse como ondas en el espacio.  La velocidad que alcanzaría estas dichas ondas estaría dada por la siguiente forma

V=1/vu.e

 

Índice de refracción y espectro electromagnético

La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos  luminosos al pasar de un medio a otro en que se propaga con distinta velocidad. El ángulo de refracción tiene un valor constante que recibe el nombre de índice de refracción(n).

A esta ley se le conoce también como la ley de Snell que puede calcularse con el cociente de las velocidades del primero y segundo medio

N=sen i/senr=v1/v2

La velocidad de la luz en el vacío es de 3000000 Km/s, mientras que en el aire es de 299030km/s y en el agua de 225mil km/s. la relación entre las velocidades de la luz en el bacio y en otro medio recibe el nombre de “índice de refracción del medio”.

 

Rayos gama: son una forma de radiación electromagnética con energía extremadamente elevada. La radiación de estos rayos tienen una longitud de onda mucho mas corta de la luz visible, por lo que se encuentra en el extremo mas elevado de energía del campo electromagnético.

Rayos x: es una radiación invisible capas de atravesar cuerpos opacos e imprimir las películas fotográficas con una frecuencia de rango 30 a 3000 PHz, esto se genera cuando unas de electrones que viaja a una velocidad por el vacío.

Rayos ultravioletas]: son aquellos que tienen longitud de onda entre 190 y 400 nm, la luz ultravioleta también recibe el nombre de luz negra y no la advierte el ojo human. Esta radiaciones emitidas directamente por el sol.

Luz visible: puede utilizarse para diferentes tipos de comunicaciones, ya que se ayude ser modulada y transmitida atreves de fibras ópticas por su alta frecuencia s capas de llevar información.

Rayos infrarrojos:  tienen una longitud de onda superior a la luz visible pero mas corta que la de un microondas. Tienen un uso muy común de los controles terremotos que utiliza los rayos infrarrojos en lugar de ondas de radio ya que estas no interfieren  con otras señales electromagnéticas como las señales de la televisión.

Microondas: son las ondas electromagnéticas que tienen un rango  de frecuencia ente 300MHz y 300GHz y longitudes entre 1cm y 100um. Estas ondas se utilizan en números sistemáticos como dispositivos de transmisión de datos, radares y hornos de microondas.

Ondas de radio: tienen longitudes que van de tan solo unos milímetros asta cientos de km y oscilan un rango de frecuencia entre unos cuantos KHz y se utilizan para transmitir  señales a grandes distancias y una de las mas comunicaciones utilizadas son por el radio de frecuencia modulada(fm)y amplitud modulada(am).

 

Absorción y emisión de luz

 

Los cuerpos que emiten luz de manera natural se llaman cuerpos luminosos ; el sol, es un objeto luminoso , los cuerpo que reflejan la luz que reciben de otros cuerpos luminosos se llaman cuerpos iluminados ; un ejemplo los planetas son objetos iluminados por que reflejan la luz del sol.

Esto se debe a que cuando la luz interactúa con la estructura eléctrica o cristalina de algún material, los fotones de una fuente externa crean barios fenómenos ópticos. Silos fotones incidentes interactúan con electrones externos del núcleo del átomo, seden energía el material en cuyo caso hay absorción.

 

Dispersión de la luz

Esto se explica debido a que la luz al ser policroma tica y pasar atreves de un medio diferente al aire se va frenando lo que ase que se separe cada color de acuerdo a su frecuencia, y apareciendo así la parte del espectro electromagnético que llamamos visible.

El arcoíris es el ejemplo mas conocido y hermoso de la refracción , ya que la luz del sol se dispersa dentro de cada una de las gotas de lluvia que se encuentran en el aire, lo que se refleja en el espectro visible en la atmosfera.

La óptica: es la rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con la luz y se divide en óptica geométrica y óptica física y cuando la luz entra en contacto con la superficie reflejante, como un espejo plano que es opaco, una parte es reflejada y otra es absorbida; pero si un cuerpo transparente, como el agua o un vidrio, la luz pasa atreves de el.

 

Reflexión de la luz

Este tipo de reflexión que proviene de una superficie lisa y pulida es conocida como reflexión regular. Y es cuando una persona esta parada  frente a un  espejo observa una imagen parecida a la suya; así como el de los objetos a su alrededor. A este fenómeno se le conoce como reflexión: la luz rebota al tocar la superficie y regresa al mismo medio original.

Este fenómeno se puede describir con las leyes de la reflexión :

1.-el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano.

2.-el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión: i=r

 

Los espejos planos

Es la superficie sobre la que se incide la luz y es llamada espejo ; existen espejos planos y curvos  por lo general todos contamos con espejos planos en nuestras casas, y esto reflejan imágenes que parecen estar a la misma distancia en la parte  atrás del espejo que a la que se encuentra el objeto delante de él.

Existen diferentes tipos de lentes: el lente convergente es un punto focal, es decir, este tipo de lente consigue desviar los rayos de luz concentrándolos en un punto delante de la lente.

La lente divergente: esta lente deja pasar la luz  y dispersa a partir de un  punto llamada foco situado antes de ellas. Las lentes divergentes pueden ser de distintos tipo como: bicóncavas, planocóncavas y de menisco divergente.

 

Formación de imágenes mediante lentes delgadas

Es cuando el objeto se encuentra a una distancia mayor al doble de la longitud focal se forma una imagen real, invertida y menos entre F2 y 2F2, en el lado opuesto de la lente.

La ecuación de la lente y el aumento

1/p+1/Q=1/f

 

Combinación de lentes

Es cuando la luz pasa por un arreglo o combinación de lentes y se genera un aumento o magnificación de la imagen. Cuando pasa de  la  primera    a la segunda lente y así sucesivamente, entre más grandes se el número de combinaciones, el producto de ellas provocará un aumento en el tamaño de la imagen.                                                                                                                                                                                                             

 

 

Hondas mecánicas

Son una forma en que la energía, específicamente la mecánica, puede transmitirse por el medio del oleaje del mar abierto por la fuerza del aire que le transmite su energía y que es transportada por el agua sin que allá intercambio de masa. La energía de la piedra es transmitida al barco por medio del agua lo que ase que se aleje cada vez mas para transmitir energía por medio de vibraciones.

Una honda mecánica es aquella perturbación sobre un medio que es propagada o transmitida por el mismo sin transportar materia, el medio que es perturbado puede ser aire , agua, algún material sólido, etc.

De las ondas mecánicas tenemos las ondas sonoras, elásticas las sísmicas y las gravitatorias y para transmitir espejería las moléculas del medio se transfieren a la energía checando unas con otras permitiendo su propagación}

Clasificación de propagación de las ondas

Ondas longitudinales: son aquellas cuya dirección de propagación es igual que la dirección en que se originó el movimiento y el mismo sentido que su origen, es decir, corre de forma paralelar origen de la perturbación. estas ondas sonoras y  las compresión o descompresión es la forma de un resorte.

Ondas transversales: sedan de forma peculiar cuando se agitan un movimiento hacia riba y asía bajo una cuerda que se encuentra tensa. La perturbación de esta onda se da con el movimiento de una mano que se mueve así delante.

Las ondas se clasifican también de acuerdo con sus características 

Unidireccionales: se propagan a lo largo de una línea recta (como en una cuerda)

Bidimensionales: se propagan en plano definido, por ejemplo, las ondas de una superficie de un líquido y por lo general estas ondas tienen forma circular

Tridimensionales: estas ondas pueden propagarse  por todo el espacio tal como la luz o el sonido y su forma por lo general s esférica.

Pulso: estas ondas se generan cuando la perturbación aparece de forma instantánea, es decir, cuando la perturbación pasa, el medio regresa al reposo.

Tren de ondas: aquí las perturbaciones se dan de manera continua, una perturbación sigue a otra de tal manera que el medio no regresa al reposo.

 

Características de las ondas

Las características de una onda no describe su comportamiento, en una onda de tipo transversal es decir en una sola dimisión  sus parámetros que dan muy definidos como sigue:

Longitud de onda: se define como la distancia entre dos puntos consecutivos de la perturbación o la distancia que recorre la onda en un periodo T.

Frecuencia se define por el número de oscilaciones o siclos por segundo que tiene una onda. Se mide en Hz, que implica una oscilación por segundo.

F=v/A

Periodo(T): es en intervalo de tiempo entre dos puntos equivalentes de la onda, es decir, un siglo completo de onda

T=1/f

Velocidad: se considera como el desplazamiento de la onda y que depende exclusivamente de las propiedades del medio

V=A/T

T=1/f

V=A/T=A-f

 

La refracción se manifiesta cuando una onda revota contra un objeto que se interpone en su camino, como un muro y la onda choca contra el muro rebota en el mismo ángulo en el que incide, y el muro absorbe parte de la energía transmitida por la onda.

Refacción: esta propiedad aparece cuando la onda mecánica pasa de un medio a otro, ya sea de mayor o menor densidad, lo que provoca un cambio de dirección y velocidad. Si una onda pasa a un medio más denso, la velocidad de propagación aumenta pero si el medio al que pasa es menos denso disminuye su velocidad.

Difracción: esta propiedad se presenta cuando un objeto se interpone en la trayectoria de una onda y esta trata de pasar rodeándolo, brincándolo o atravesándolo de alguna forma. Las ondas se golpean en una superficie del objeto y solo una parte de ellas puede pasar por el orificio.

La interferencia: esto sucede cuando dos ondas diferentes ocurren  o se superponen en un mismo punto de su trayectoria se presenta en esta propiedad. Las ondas pueden tener 3 tipos de interferencia dependiendo el grado que sea.

Constructiva: esto concurre cunado las ondas se alcanzan y se forma una onda más grande, ya que la energía de ambas se suma en un punto en común. Y alcanzar la primera onda a la otra, la energía que traen las dos aumentara el tamaño y velocidad de la primera.

Destructiva: esto ocurre cundo la onda resultante es de menor intensidad. Es la cancelación o anulación de las ondas  que pueden presentarse, y esto solo si la energía de ambas es exactamente la misma. En esto se genera una interferencia muy pequeña que permite a la otra persona entendemos a escuchar o el sonido de una película al mismo tiempo.

 

Resonancia: es una propiedad de las más interesantes  y a la vez más complejas y se presenta cuando una onda es absorbida por un objeto y este comienza a vibrar con la misma energía y frecuencia que la onda. Y esto empieza a vibrar cuando el objeto es golpeado y al mismo meto de hacerlo comenzara a vibrar a causa de los ondas y transmitidas por el aire que chocan contra el.

 

Ondas sonoras

 Son un tipo de onda mecánica que necesita un medio para  su propagación. Esta onda mecánica es generada por el moviendo de un objeto lo que provoca la comprensión y descomprensión casi simultánea del medio que lo rodea. Esto genera un fenómeno de oscilación en el medio y por consiguiente retransmisión atreves de el de las ondas generadas y para que estas ondas puedan se percibidas por el oído humano  deben oscilar entre 20 y 20mil veces por segundo. Y al llegar al oído estas ondas provocan un cambio de precisión en su interior lo que hace vibrar sus componentes.

Velocidad de propagación de las ondas sonoras

Las ondas sonoras necesitan un medio material para propagarse de manera tridimensional. La velocidad con la que lo ase depende del medio y lo cercano que seste entre si y las partículas que lo componen. La energía que se transmite a mayor velocidad se propaga una velocidad menor que las partículas que lo componen por el medio de transmisión que se encuentra.

La velocidad de propagación de las ondas sonoras  en el aire oxida entre  330 y 350 m/s

V=Axf

Propiedades de las ondas sonoras: sus propiedades particulares se explican y se describen conforme a su comportamiento y una delas siguientes es:

Refracción: al cambiar de velocidad cuando pasa de un medio a otro, las ondas sonoras también cambian de dirección. Esta propiedad no solo se ponen de manifiesto cuando pasan de un medio a otro, sino también en el mismo medio; para esto debe haber un cambio de temperatura.

Reflexión: es cuando la onda sonora revota el encontrar un objeto que impide el paso al ángulo que incide sobre la superficie= al ángulo que revota.

Este fenómeno tiene ciertas excepciones cuando se trata de ondas sonoras cuando su frecuencia es muy baja y su longitud es muy grande por lo que son capases de rodear o brindar los obstáculos.

Resonancia: este consiste en la vibración que un objeto presenta por la inducción de otro cercano a el.

Efecto doble: este efecto indica el tono de un sonido emitido de una fuente que se aproxima a un observador en la misma dirección.

 

Tipos de sonido

Infrasonidos: son aquellos sonidos que no pueden ser percibidos por los humanos

Sónicos: son todos los sonidos que si somos capases de escuchar. Su rango de frecuencia esta entre los 20 y 20 mil Hz

Ultrasónicos: son todos los sonidos generados por ondas  superiores a los 20mil Hz y el limite superior de la velocidad del sonido es adocile para el ser humano.

Características del sonido

La intensidad: corresponde a la energía que trasmite una onda a mayor amplitud de onda y mayor será su intensidad  y energía

El tono: depende de la frecuencia en que vibra la onda. Es lo que nos permite clasificarlos en graves o agudos(muy chillantes)

Timbre: también llamado por los músicos el color del sonido

 

Contaminación acústica

El ruido comienza a considerarse peligroso  para la salud cuando la intensidad alcanza los 50 a 60 dB.

Los efectos de ruido en la salud no solo se reflejan en la pérdida del oído sino también el sistema cardiovascular alterando el ritmo cardiaco  provocando riesgo en las coronarias e hipertensión arterial