Leyes de Newton y Fundamentos de los Fenómenos Ondulatorios

Leyes de la Dinámica de Newton

Primer Principio de Newton (Ley de la Inercia)

Si un cuerpo no interacciona con otros, o la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre él se anula, mantendrá su estado de movimiento.

Segundo Principio de Newton (Ley Fundamental de la Dinámica)

Si un cuerpo interactúa con otros de manera que la resultante de las fuerzas que actúan sobre él no sea cero, adquirirá una aceleración que es directamente proporcional a la fuerza, donde la constante de proporcionalidad es la masa.

Tercer Principio de Newton (Ley de Acción y Reacción)

Cuando entre dos cuerpos se ejerce una interacción, esta se manifiesta en ambos con igual intensidad y simultáneamente.

Conceptos de Fuerzas y Rotación

• Fuerza centrífuga: Es la fuerza de inercia que experimentan los cuerpos en sistemas de referencia que describen trayectorias curvas.
• Fuerza centrípeta: En estos casos, el cuerpo tiende a seguir su trayectoria recta y es el sistema el que se desvía con una fuerza dirigida hacia el centro de la curva.
• Momento de una fuerza: Indica cómo varía la rotación de un cuerpo y es a la rotación lo que la fuerza es a la traslación.

Propiedades y Fenómenos Ondulatorios

Fase y Estado de Perturbación

Los puntos que están en igual estado de perturbación están en fase y la distancia entre ellos es igual a un número par de medias longitudes de onda. Los puntos separados por un número impar de medias longitudes de onda están en oposición de fase.

Intensidad y Amortiguación de la Onda

La intensidad de onda en un punto es la energía que pasa en cada unidad de tiempo por la unidad de superficie situada perpendicularmente a la dirección de propagación. Es una potencia por unidad de superficie.

La amortiguación de onda consiste en la disminución de la amplitud de una onda. Una onda se amortigua, a medida que avanza, por dos causas: la absorción del medio y la atenuación con la distancia.

• La absorción es la amortiguación debida a la disipación de la energía de la onda al medio, que como consecuencia aumenta de temperatura. La pérdida de intensidad de la onda se traduce en una disminución de la amplitud.
• La atenuación se produce en ondas esféricas cuyo frente se propaga en todas las direcciones del espacio, porque la energía debe distribuirse entre un mayor número de partículas a medida que avanza la onda. Es un fenómeno que se produce aunque no haya disipación de energía al medio.

Refracción y Reflexión de Ondas

La refracción de ondas consiste en el cambio de la dirección de propagación al pasar la onda de un medio a otro. Si un medio no permite la transmisión de una onda a través de él, se dice que es un medio opaco para ese movimiento ondulatorio.

La reflexión de ondas consiste en el cambio de la dirección de propagación al incidir la onda en el límite de separación de dos medios distintos; después de la reflexión, la onda continúa su propagación en el mismo medio. La dirección de incidencia de la onda, la dirección de salida y la normal a la superficie de reflexión están en un mismo plano (de incidencia).

Efecto Doppler y Frente de Onda

El efecto Doppler es un fenómeno ondulatorio que se produce cuando hay un movimiento relativo entre un foco emisor de ondas y un observador. La frecuencia percibida por el observador es distinta de la frecuencia emitida por el foco.

El frente de onda es la superficie formada por todos los puntos que son alcanzados por una onda al mismo tiempo; en consecuencia, todos los puntos de un frente de onda tienen la misma fase. Las líneas perpendiculares al frente de onda en cada punto son los rayos.

Principio de Huygens y Difracción

El principio de Huygens establece que cada punto de un frente de ondas se comporta como un foco emisor de ondas secundarias cuya envolvente constituye el nuevo frente de ondas. Se aplica solo a ondas mecánicas.

La difracción ocurre cuando las ondas doblan esquinas y bordean obstáculos. Este fenómeno es consecuencia del principio de Huygens. Se puede observar cuando la onda se encuentra con un obstáculo cuyo tamaño es del mismo orden de magnitud que su longitud de onda. No suele apreciarse a simple vista.

Interferencias

Los fenómenos de difracción e interferencias son distintos pero se presentan conjuntamente porque las ondas interfieren después de ser difractadas por el obstáculo. La difracción se explica a partir del principio de Huygens y los fenómenos de interferencia entre esas ondas secundarias producen las figuras de difracción.

• Máximos de interferencia: La intensidad es máxima en los puntos cuya diferencia de distancias a los focos emisores es cero o igual a un número entero de longitudes de onda.
• Mínimos de interferencia: La intensidad es mínima en los puntos cuya diferencia de distancias a los focos es igual a un número impar de semilongitudes de onda.

Pulsación o Batido

Cuando dos ondas armónicas, de igual amplitud, emitidas por dos focos muy próximos y con frecuencias parecidas, interfieren en un punto del espacio, la amplitud en un punto que se encuentra a una distancia x de los focos varía periódicamente en el tiempo. Esta variación temporal de la amplitud en un punto es la pulsación.