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Física Comprimida

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Formación de ondas estacionarias

28 mayo, 2020 por Miguel Ángel Rodríguez Valverde Dejar un comentario

Es habitual recurrir a la interpretación, incluso demostración matemática, de ondas estacionarias monodimensionales como la superposición de una onda incidente con su reflejada en un medio acotado, usando el ejemplo paradigmático de la cuerda tensada. Sin embargo, la realidad es que las ondas estacionarias se pueden excitar de muchas maneras (tantas como condiciones iniciales): pulsión, percusión,  extremo vibrante (forzado).., y los armónicos correspondientes aparecen “instantáneamente”, sin un tiempo de retardo (transitorio) debido a la ida y venida de una misma onda que se refleja en los extremos del medio. Además, los medios pueden tener alguna constricción entre sus extremos. Pongamos de ejemplo la barra afianzada en un punto entre sus extremos libres. En este caso, se podrá aplicar la solución reducida de dos ondas complejas (incidente y reflejada) PERO en cada región de la barra, lo que al final nos lleva a cuatro amplitudes complejas por determinar. Estrictamente (matemáticamente), el problema genérico se resuelve con la solución general de la ecuación de ondas planas: suma de cuatro exponenciales complejas con cuatro constantes (complejas) indeterminadas.

En otro orden de cosas, las impedancias mecánicas del medio exterior al medio donde se confina la onda deben ser tales que justifiquen un coeficiente de reflexividad unidad y un coeficiente de transmisividad nulo, en cada contorno del medio, sea “abierto” como “cerrado”. Así, la onda estacionaria formada en una cuerda fija por un extremo y con el otro extremo móvil (libre), en dirección vertical, se explica por considerarse el medio limitado por dos medios exteriores: el adyacente al extremo fijo con una impedancia infinita (amplitud compleja de la onda transmitida nula) y el adyacente al extremo libre con una impedancia mecánica nula (intensidad transmitida nula). El primer caso ocurre cuando el medio posee tanta inercia (densidad infinita) o tan poca deformabilidad que impide la propagación (velocidad de propagación nula), y el segundo caso cuando el medio exterior es el vacío (densidad nula = deformabilidad infinita). Si el extremo libre tuviera fijada una masa, su condición de contorno variaría (segunda ley de Newton) y con ella la posibilidad de formación de onda estacionaria. Este razonamiento se puede aplicar igualmente a ondas longitudinales (ondas de presión/desplazamiento en fluido confinado) aunque invirtiendo las características de los extremos [1]. Un tubo de aire con extremo abierto y cerrado corresponde con la existencia mental de los siguientes medios exteriores: un medio rígido/inerte adyacente al extremo abierto (sobrepresión nula) que permite el desplazamiento longitudinal máximo (vientre) del elemento infinitesimal de masa fluida extremo y el vacío adyacente al extremo cerrado que justifica un nodo en el desplazamiento (vientre de sobrepresión).

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¿Cómo se interpretan físicamente las condiciones de contorno de ondas longitudinales confinadas en tubos de extremos abiertos?

1 marzo, 2020 por Miguel Ángel Rodríguez Valverde Dejar un comentario

Un pulso de sobrepresión (aire más denso) al llegar al extremo abierto de un tubo sonoro transmite momento lineal al aire en abierto (infinitamente inerte) en todas las direcciones. Esto hace disminuir rápidamente la presión del pulso hasta la atmosférica. Esto crea una succión en el extremo del tubo y con ella un pulso de presión negativa (aire enrarecido) que viaja hacia el interior del tubo. Esto es análogo al pulso que se propaga en una cuerda tensa con un extremo fijo. El pulso se refleja y se invierte (cambio de fase). En un extremo cerrado, el pulso de sobrepresión se refleja como otro pulso de sobrepresión ya que el momento lineal se invierte tras la colisión con el extremo cerrado. Es análogo al pulso que se propaga en una cuerda tensa con un extremo libre [1].

Este comportamiento contraintuitivo de las ondas longitudinales en las fronteras, debido a la continuidad del medio, intuye el efecto túnel y otros fenómenos cuánticos similares.

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Polarización de ondas

1 marzo, 2020 por Miguel Ángel Rodríguez Valverde Dejar un comentario

Una cuerda tensada por la que se propaga una onda transversal excitada con un motor giratorio, puede revelar el fenómeno del filtrado (plano de polarización) usando aperturas en diferentes posiciones y con diferentes orientaciones. Si se usan tres aperturas formando con la horizontal 90º, α y 0º cada una, la onda resultante tendrá un máximo cuando α=45º. Esto no ocurre con la interpretación corpuscular de la onda. El vector de la magnitud perturbada (desplazamiento) se proyecta sobre la apertura, atenuándose pero sin llegar a cero salvo que α=90º ó 0º.

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¿Las ondas (mecánicas) cumplen con la composición de movimientos?

1 marzo, 2020 por Miguel Ángel Rodríguez Valverde Dejar un comentario

No. La velocidad de propagación de una onda mecánica armónica emitida desde un foco móvil no depende de la velocidad del foco, sólo depende del estado de movimiento del medio. Se trata de uno de las muchas contraintuiciones que nos encontramos cuando tratamos de entender una onda mecánica como el movimiento de partículas. La onda es una perturbación de un medio continuo, luego no implica transporte neto de materia (centro de masas del medio en reposo). Lo que cuenta es su fase no el estado de movimiento del medio. El foco emisor de una onda impone la frecuencia, la amplitud y fase inicial de la onda, nunca la velocidad de propagación.

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¿Qué mide un micrófono?

1 marzo, 2020 por Miguel Ángel Rodríguez Valverde Dejar un comentario

El sonido es una onda de presión (macroscópicamente) y de desplazamiento (microscópicamente). La sobrepresión siempre está desfasada con el desplazamiento π/2 (cuadratura): Cuando una es cero, la otra es máxima/mínima. En un micrófono, la f.e.m. generada según la ley de Lenz-Faraday está desfasada π/2 (cuadratura) respecto del desplazamiento de la membrana, luego el micrófono mide el comportamiento de la sobrepresión. A partir de la amplitud de onda, el micrófono (amplificador) calcula la intensidad de onda (decibelios).

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