Bloque 2: Ondas Mecánicas y Acústicas

Definición de Onda

Onda: Es la propagación de una perturbación.

Partes de una Onda

• Línea de equilibrio: Línea imaginaria que divide a la mitad una onda de forma longitudinal.
• Nodo: Punto donde la onda corta la línea de equilibrio.
• Cresta: Es el punto más alto de una onda.
• Valle: Es el punto más bajo de una onda.
• Amplitud de onda (A): Es la distancia máxima que hay entre la línea de equilibrio y el valle o la cresta.
• Longitud de onda (λ): Es la distancia entre dos crestas o dos valles consecutivos.

Clasificación de Ondas

Ondas Mecánicas

Son aquellas que necesitan de un medio material para propagarse (ejemplos: ondas sísmicas, sonido, en un resorte).

Tipos de Ondas Mecánicas:

• Transversales: Las partículas vibratorias vibran en forma perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
• Longitudinales: Las partículas vibratorias vibran en el mismo sentido de la dirección de propagación de la onda.

Rapidez de una Onda (en una cuerda tensa)

Se calcula con la fórmula: V = √(F / (m/L)) = √(F / M)

• V: Rapidez (m/s)
• F: Tensión constante (N)
• m: Masa (kg)
• L: Longitud (m)
• M: Densidad lineal (m/L) (kg/m)

Ondas Electromagnéticas

Son aquellas formadas por campos eléctricos y magnéticos oscilantes, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación. No necesitan de un medio material para propagarse (ejemplos: ondas de radio, luz visible, microondas, rayos X).

Características de las Ondas

Longitud de Onda (λ) y Amplitud (A)

La longitud de onda se representa por la letra griega lambda (λ) y es equivalente a un ciclo completo, que en un diagrama se representa por la distancia entre dos crestas consecutivas (o dos valles consecutivos). Suele medirse en nanómetros (nm), centímetros (cm), metros (m) y kilómetros (km).

La amplitud (A) es la máxima elongación o distancia desde la línea de equilibrio hasta la cresta o el valle.

Ejemplos de Ondas Electromagnéticas según Longitud y Amplitud:

• Ondas de radio: Longitudes de onda muy grandes (metros a kilómetros). Incluyen ondas de TV, radio AM/FM, radar.
• Microondas: Longitudes de onda de centímetros a metros.
• Infrarrojas: Longitudes de onda más cortas que las microondas.
• Luz Visible: Rango estrecho de longitudes de onda (aprox. 400-700 nm).
• Ultravioleta (UV): Longitudes de onda más cortas que la luz visible.
• Rayos X: Longitudes de onda aún más cortas.
• Rayos gamma: Las longitudes de onda más pequeñas del espectro electromagnético, asociadas a altas energías.

Frecuencia (f)

Es el número de ciclos, vueltas, oscilaciones completas (o longitudes de onda) que pasan por un punto por unidad de tiempo. Se mide en Hertz (Hz), donde 1 Hz = 1 ciclo/segundo.

Periodo (T)

Es el tiempo necesario que tarda una onda en completar un ciclo u oscilación completa. Es el inverso de la frecuencia (T = 1/f).

Sonido

Sonido: Es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico (sólido, líquido o gas).

Cualidades del Sonido

• Intensidad: Se relaciona con la energía o amplitud de la onda sonora (percepción: volumen o sonoridad). Se mide en decibelios (dB).
• Tono: Está determinado por la frecuencia de la onda sonora (percepción: agudo o grave).
• Timbre: Permite distinguir dos sonidos de igual intensidad y tono emitidos por fuentes diferentes (ej. un violín y una flauta tocando la misma nota). Depende de la forma de la onda y la combinación de armónicos presentes.

Efecto Doppler

Este efecto consiste en el cambio aparente de la frecuencia (y por tanto, del tono) de una onda percibido por un observador cuando hay movimiento relativo entre la fuente emisora de la onda y el observador. Si la fuente se acerca, la frecuencia percibida es mayor (tono más agudo); si se aleja, es menor (tono más grave).

Aplicaciones e Inventos relacionados con Ondas (Mecánicas y Electromagnéticas)

Grandes inventos y tecnologías que dependen del electromagnetismo y las ondas incluyen:

• Automóvil (componentes electrónicos, radio)
• Horno de Microondas
• Naves espaciales (comunicaciones, radar)
• Televisión (TV)
• Computadora
• Avión (comunicaciones, radar)
• Refrigerador (componentes electrónicos)
• Teléfono celular (Cel.)
• Radio
• Internet (fibra óptica, Wi-Fi)

Bloque 3: Óptica

La óptica es la rama de la física que estudia la luz, sus propiedades, su comportamiento al interactuar con la materia y los fenómenos asociados.

¿Qué es la Luz?

Luz: Es una forma de energía electromagnética, específicamente la parte del espectro electromagnético que es visible para el ojo humano (aproximadamente entre 400 y 700 nm de longitud de onda) y se manifiesta por medio de la iluminación.

Ramas de la Óptica

• Óptica física: Estudia la naturaleza ondulatoria de la luz y fenómenos como la difracción, interferencia y polarización.
• Óptica geométrica: Describe el comportamiento de la luz en términos de rayos que viajan en línea recta, explicando fenómenos como la reflexión y la refracción mediante leyes geométricas simples.
• Óptica cuántica (o Moderna): Estudia la interacción de la luz con la materia a nivel cuántico, considerando la naturaleza dual onda-partícula de la luz (fotones). Se aplica en tecnologías como los láseres y LEDs.

Propiedades de la Luz

• Intensidad: Se refiere a la potencia luminosa por unidad de área (flujo luminoso).
• Color: Es la percepción visual generada en el cerebro al interpretar las diferentes longitudes de onda de la luz visible que un objeto refleja, absorbe o emite.
• Dirección: Describe la trayectoria de propagación de la luz.
• Reflexión: Es el cambio de dirección que experimenta la luz al chocar con una superficie, regresando al medio del que provenía.
• Refracción: Es el cambio de dirección y velocidad que experimenta la luz al pasar de un medio material a otro con diferente índice de refracción.
• Polarización: Fenómeno exclusivo de las ondas transversales (como la luz) que describe la orientación de las oscilaciones del campo eléctrico. La luz natural no está polarizada, pero puede polarizarse mediante diversos procesos (reflexión, filtros polarizadores).

Hitos y Conceptos Clave en Óptica y Física Moderna

Experimento de la Doble Rendija de Thomas Young

En 1801, Thomas Young hizo pasar un rayo de luz a través de dos rendijas paralelas muy juntas. Sobre una pantalla colocada detrás, observó un patrón característico de franjas claras y oscuras (patrón de interferencia), demostrando de forma concluyente la naturaleza ondulatoria de la luz.

Efecto Fotoeléctrico

Fenómeno por el cual los electrones (llamados fotoelectrones) son expulsados de la superficie de un material (generalmente un metal) cuando sobre él incide radiación electromagnética (como la luz) de frecuencia suficientemente alta. Este efecto, explicado por Albert Einstein, fue crucial para establecer la naturaleza corpuscular (de partícula) de la luz (fotones).

Decibelio y Bel

El Bel (B) es una unidad logarítmica utilizada para comparar dos niveles de potencia o intensidad. El decibelio (dB), más comúnmente usado, es la décima parte de un Bel (1 B = 10 dB). En acústica, se utiliza para medir el nivel de intensidad sonora. Un aumento de 10 dB corresponde a una intensidad 10 veces mayor.

Intento de Medición de la Velocidad de la Luz por Galileo Galilei

Galileo intentó medir la velocidad de la luz usando linternas y observadores en colinas separadas aproximadamente 1 km. Su método consistía en medir el tiempo de reacción al ver la luz del otro observador. Sin embargo, la velocidad de la luz es tan extremadamente alta que el tiempo de viaje era imperceptible con los métodos de la época, concluyendo solo que era”extraordinariamente rápid” o instantánea.

Medición de la Velocidad de la Luz por Ole Rømer

En 1676, el astrónomo danés Ole Rømer, observando los eclipses de Ío (una luna de Júpiter), notó que los tiempos entre eclipses variaban dependiendo de la posición relativa de la Tierra y Júpiter. Correctamente dedujo que esta variación se debía al tiempo finito que tardaba la luz en viajar la distancia adicional cuando la Tierra estaba más lejos de Júpiter. A partir de sus observaciones, realizó la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz (obtuvo un valor de aproximadamente 214,000 km/s).

Aportaciones de Paul Dirac

Paul Dirac fue uno de los fundadores de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica. Formuló la ecuación de Dirac (1928), una ecuación relativista para el electrón que predijo la existencia de la antimateria (específicamente, el positrón, descubierto en 1932).

Aportaciones de Arnold Sommerfeld

Arnold Sommerfeld refinó el modelo atómico de Bohr introduciendo órbitas elípticas y la cuantización del momento angular (número cuántico azimutal). También realizó contribuciones importantes a la teoría cuántica, incluyendo la explicación del efecto Zeeman y trabajos sobre la difracción de rayos X.

Aportaciones de Erwin Schrödinger

En 1926, Erwin Schrödinger desarrolló la mecánica ondulatoria, formulando la ecuación de Schrödinger. Esta ecuación describe cómo evoluciona en el tiempo la función de onda de un sistema cuántico y es una piedra angular de la mecánica cuántica moderna.

Conceptos de Física Cuántica (Modelo de Bohr)

Niels Bohr propuso en 1913 un modelo atómico que incorporaba ideas cuánticas. Postuló que los electrones orbitan el núcleo solo en órbitas específicas (niveles de energía) sin irradiar energía. La energía del electrón está cuantizada, y los electrones pueden”salta” entre órbitas absorbiendo o emitiendo cantidades discretas de energía (fotones) correspondientes a la diferencia de energía entre los niveles.