Física de las ondas y gravitación: conceptos clave, fenómenos ondulatorios y leyes de Kepler

Oscilaciones y ondas

Oscilador: el oscilador debe realizar un movimiento de traslado desde la posición de equilibrio hasta una posición extrema, venciendo la fuerza recuperadora.

Onda: propagación de energía sin que haya desplazamiento de materia. Para que se produzca un movimiento ondulatorio se necesita un centro emisor que produzca una perturbación y un medio elástico que transmita dicha perturbación.

Pulso: perturbación individual que se propaga a través del medio.

Tren de ondas: propagación de una perturbación continua. Tras t = 2 s, los puntos del medio están en movimiento, y es necesario aplicar energía continuamente.

Clasificación de las ondas

• Ondas mecánicas: se propagan en un medio material; necesitan un agente que las produzca y un medio material.
• Ondas electromagnéticas: se propagan campos electromagnéticos producidos por oscilaciones de cargas eléctricas aceleradas.
• Ondas longitudinales: la dirección de vibración de las partículas coincide con la dirección de propagación.
• Ondas transversales: se propagan perpendicularmente a la dirección en que vibran las partículas.

Principio de Huygens

Principio de Huygens: permite explicar cómo se pasa del frente de ondas al siguiente a través del medio. Cada punto de un frente de onda es un centro emisor de nuevas ondas elementales, cuya envolvente es el nuevo frente de onda.

También explica los siguientes fenómenos:

• Refracción: se produce cuando una onda llega a la superficie de separación entre dos medios de propagación distinta; hay un cambio de dirección de propagación y en el valor de la velocidad.
• Reflexión: fenómeno propio de cualquier tipo de ondas; cambio de dirección dentro del mismo medio que experimentan las ondas al incidir sobre una superficie de separación entre dos medios.
• Difracción: se produce cuando un obstáculo impide el avance del frente de onda. Los puntos del frente que no están tapados por el obstáculo se convierten en centros emisores de nuevos frentes de onda, logrando que la onda bordee el obstáculo y se propague detrás de este.

Interferencias y ondas estacionarias

Interferencias: superposición de dos ondas en un punto. Pueden ser constructivas, destructivas o coherentes.

Intensidad de un movimiento ondulatorio: en un punto es la cantidad de energía que atraviesa perpendicularmente a la unidad de superficie colocada en dicho punto, por unidad de tiempo.

Ondas estacionarias: resultan de la interferencia de dos ondas idénticas que se propagan en la misma dirección y sentido contrario.

Sonido y efecto Doppler

Umbral de audición: intensidad más baja que se puede oír para una frecuencia dada.

Tono: cualidad del sonido que depende de la frecuencia.

Timbre: cualidad por la que se distinguen dos sonidos de igual sonoridad y de igual tono.

Efecto Doppler: cambio de frecuencia del sonido cuando existe movimiento relativo entre la fuente que lo emite y el observador que lo percibe. Cuando la fuente y el observador se mueven uno hacia otro, la frecuencia que escucha el observador es mayor, y viceversa.

Aplicaciones: joyería (limpieza por ultrasonidos), sonar, perforación por ultrasonidos, medicina (rayos X, ecografías).

Paralaje

Paralaje: desplazamiento aparente que sufre un objeto cuando el observador cambia de lugar.

Leyes de Kepler

1. Ley de las órbitas: los planetas giran alrededor del Sol describiendo órbitas elípticas en una de cuyos focos está el Sol.
2. Ley de las áreas: las áreas barridas por el radio vector que une el Sol con un planeta son directamente proporcionales a los tiempos empleados en barrerlas.
3. Ley de los periodos: los cuadrados de los periodos orbitales T son directamente proporcionales a los cubos de los semiejes mayores de las respectivas órbitas.

Energía y campo gravitatorio

Energía potencial en un punto: trabajo que realiza F_g para trasladar una masa desde r hasta el infinito.

Velocidad de escape: velocidad mínima de lanzamiento de un cohete para que pueda escapar de la atracción terrestre; es independiente de la masa del objeto que se lanza.

Campo de fuerzas: a cada punto del espacio le corresponde una fuerza única. Conservativo: el trabajo de la fuerza del campo en un camino cerrado es igual a 0.

Líneas de campo: representación gráfica de los campos de fuerzas. Son imaginarias, nacen en el infinito y terminan en el centro de la masa, y no pueden cortarse.

Intensidad de campo gravitatorio: en un punto, es la fuerza que ejerce el campo sobre la unidad de masa colocada en dicho punto.

Potencial: en un punto A es el trabajo de F_central para trasladar la unidad de masa sometida a la acción del campo desde A hasta el infinito, es decir, E_p,grav por unidad de masa.

Gradiente de potencial gravitatorio: vector cuya dirección es perpendicular a las superficies equipotenciales y cuyo sentido, por convenio, es el de los valores crecientes de potencial.