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1.
Prólogo
7 Prólogo Nuestra forma habitual de vida queda enmarcada, hoy en día, por la cultura de la comunicación. En todos los procesos de comunicación que se nos ocurren juegan un papel capital las ondas, sean sonoras, luminosas o de radio. Esta motivación, llamemos externa, no es la única desde el punto de vista de la formación en física básica. Una de las cuestiones fundamentales a las que debe responder cualquier modelo físico corresponde a cómo describir los estados del sistema objeto de estudio; esta descripción se da, de forma extrema, mediante partículas o mediante ondas. La elección entre ambas descripciones se realiza en función de la posibilidad o no de localizar el sistema; así, la descripción ondulatoria es adecuada para, por ejemplo, el estudio del movimiento de la superficie del agua o de la propagación de la luz. Al finalizar el primer cuarto de nuestro siglo hubo que aceptar que ambas descripciones, tan aparentemente contrapuestas, eran complementarias para una descripción adecuada del comportamiento microscópico. El objetivo de este libro es introducir al lector en el estudio de las oscilaciones y las ondas. Como el tipo de lector que esperamos es el de estudiante de primer año de universidad de una carrera científico-técnica, nos hemos apoyado en aquellos conocimientos que se le suponen. Así suponemos que lo que debe saber de ondas, de su formación propedéutica, lo sabe; la misma hipótesis en lo que se refiere a sus conocimientos matemáticos. Algunos de los conocimientos matemáticos empleados en el libro los aprende el estudiante en el mismo curso, pero sabemos de la imposibilidad de simultanear ese aprendizaje con las necesidades de diversas asignaturas; los autores entienden que los elementos matemáticos que se van introduciendo, derivación parcial, exponencial compleja o las ecuaciones diferenciales lineales por ejemplo, no causan problemas de comprensión. Los tres primeros capítulos están dedicados a oscilaciones y se ha optado por un lenguaje mecánico estableciendo posteriormente analogías eléctricas. No hemos introducido los osciladores acoplados como paso natural hacia las ondas, por lo que se da un salto en el vacío entre las oscilaciones y las ondas, sólo cubierto por algún ejemplo. Tras una introducción formal, en el capítulo cuarto, se pasa a describir ondas en una cuerda elástica, ondas acústicas y ondas electromagnéticas en los tres siguientes. Nos hemos limitado a casos que puedan tratarse como unidimensionales. Las ecuaciones de Maxwell, que nos llevan a las ondas electromagnéticas, las hemos tratado tanto en forma integral como diferencial, para que el estudiante elija según su preparación; si puede, no vendrá mal la doble lectura. Tras el breve capítulo dedicado a las ondas estacionarias, viene uno dedicado a la superposición de ondas y configuración de paquetes; algo más extenso de lo habitual pues entendemos fundamental su contenido y que no hay porqué posponerlo; sumar funciones sinusoidales está en las posibilidades de todos los estudiantes con un ordenador a su alcance. Los fenómenos típicamente ondulatorios de interferencia y difracción cierran el libro presentándose de una forma totalmente limitada. © los autores, 1998; © Edicions UPC, 1998. Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del "copyright", bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, así como la exportación e importación de ejemplares para su distribución y venta fuera del ámbito de la Unión Europea.
2.
8
Oscilaciones y ondas Se han intercalado algunos problemas desarrollados como ejemplos y otros propuestos como ejercicios , con respuesta, que no pretenden ser exhaustivos, ni mucho menos, pero que esperamos puedan ayudar a una mejor comprensión de los temas planteados o iniciar inquietudes para profundizar en ellos. Estaríamos encantados de recibir cuantos comentarios y críticas se nos quieran hacer para mejorar la calidad y la utilidad del libro. Sería provechoso en nuestra actividad docente y, si Edicions UPC lo cree conveniente, para una posterior edición. Barcelona, septiembre de 1994 Los autores © los autores, 1998; © Edicions UPC, 1998.
3.
Índice
9 Indice 1 Oscilaciones libres 1.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Movimiento armónico simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Exponenciales complejos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4 Condiciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.5 Energía de un oscilador armónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.6 Oscilador mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.7 Un oscilador molecular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.8 Oscilador eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.9 Péndulo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2 Oscilaciones libres amortiguadas 2.1 Oscilador armónico amortiguado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.2 Amortiguamiento débil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3 Casos sobreamortiguado y crítico 2.3.1 Caso sobreamortiguado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.2 Amortiguamiento crítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.4 Energía de un oscilador débilmente amortiguado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.5 Circuito RLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3 Oscilaciones forzadas 3.1 Introducción. Principio de superposición: excitación armónica . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2 Regímenes transitorio y permanente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3 Amplitud de la respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Estudio de la fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.5 Impedancia de un oscilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.6 Intercambios de energía en un oscilador forzado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.7 Estudio de la potencia absorbida en función de la frecuencia. Resonancia . . . . . . . 74 © los autores, 1998; © Edicions UPC, 1998.
4.
10
Oscilaciones y ondas 4 Fenómenos ondulatorios 4.1 Descripción de una onda. Ecuación de onda unidimensional. Medios lineales: superposición de ondas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.2 Ondas armónicas: notacion compleja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.3 Fase y velocidad de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.4 Ondas en el espacio 4.4.1 Ondas planas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4.2 Ondas esféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.5 Tipos de ondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5 Ondas transversales progresivas en una cuerda 5.1 Ecuación de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2 Impedancia característica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.3 Potencia suministrada a la cuerda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 5.4 Cambio de medio de propagación. Transmisión y reflexión de una onda progresiva . . . . .99 5.5 Transmisión y reflexión de la energía de una onda progresiva . . . . . . . . . . . . . 101 6 Ondas acústicas 6.1 Ondas longitudinales en un medio elástico lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2 Impedancia. Intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.3 Reflexión de una onda de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.4 Ondas sonoras. Velocidad de fase del sonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6.5 Audición. Nivel de intensidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7 Ondas electromagnéticas 7.1 Ondas electromagnéticas en el vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.2 Ondas electromagnéticas planas polarizadas en el vacío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.3 Desde las ecuaciones de Maxwell en forma integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.4 Energía de una onda electromagnética. Vector de Poynting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 75 Cantidad de movimiento de las ondas electromagnéticas. Presión de radiación . . . . . . 128 7.6 Propagación de ondas electromagnéticas en un medio dieléctrico. Indice de refracción . . 130 7.7 Ondas electromagnéticas en un medio conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 8 Ondas estacionarias 8.1 Ondas estacionarias unidimensionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.2 Ondas en medios limitados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 8.3 Energía en la ondas estacionarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 © los autores, 1998; © Edicions UPC, 1998.
5.
Índice
11 9 Superposición de ondas. Paquetes de ondas 9.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.2 Superposición de dos ondas armónicas que difieren en fase 9.2.1 Caso en que las dos ondas tengan la misma amplitud, A1 = A2 = A . . . . . . 145 9.2.2 Caso en que las dos ondas tengan distinta amplitud, A ≠ B . . . . . . 146 9.2.3 Caso particular: superposición de dos ondas armónicas con distinta frecuencia . . . 146 9.3 Superposición de N ondas armónicas que difieren en fase . . . . . . . . . . . . . 149 9.4 Superposición de N ondas armónicas con distinta frecuencia . . . . . . . . . . . . . 151 9.5 Velocidades de fase y de grupo. Relación de dispersión . . . . . . . . . . . . . 152 9.6 Incertidumbre en la definición de un paquete de ondas . . . . . . . . . . . . . 153 10 Interferencia y difracción 10.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 10.2 Interferencia de dos ondas: diagrama de fasores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 10.3 Interferencia de ondas procedentes de N fuentes igualmente espaciadas . . . . . . 166 10.4 Difracción por una rendija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 © los autores, 1998; © Edicions UPC, 1998.
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