Frente de ondas y rayos

Se define el frente de onda como la superficie envolvente a donde llega la onda en un momento dado. Puede tener diferentes formas: en las ondas planas que se propagan por la superficie del agua, será una circunferencia y en las sonoras (como las que se producen en una explosión) serán una esfera. La línea imaginaria perpendicular al frente de ondas se llama rayo.

Resonancia

Para mantener un movimiento un sistema amortiguado debemos ir suministrando energía al sistema. Cuando esto se lleva a cabo, se dice que el oscilador es forzado. Por ejemplo, al sentarse en una hamaca, el suministro de energía se realiza moviendo el cuerpo y las piernas hacia delante y atrás, de forma que se convierte en un oscilador forzado. Si se introduce energía en el sistema a un ritmo mayor que del que se disipa, la energía aumentara con el tiempo, lo cual se aprecia por un aumento en la amplitud del movimiento. Ahora bien, todos los sistemas poseen lo que se llama frecuencia natural, la cual es la frecuencia de oscilación que tendría un objeto sino estuviesen presentes ni el amortiguamiento ni fuerzas impulsoras. Si la fuerza con al cual se suministra energía al sistema posee una frecuencia distinta que la natural, simplemente hablamos de una oscilación forzada pero cuando la frecuencia con la cual se suministra energía al sistema es la misma frecuencia que la frecuencia natural decimos que el sistema está en resonancia. Por ejemplo, cuando se golpea una copa de vino con el dedo esta vibra. Si una persona cantase en la misma frecuencia, su voz podría causar que la copa de vino resuene. Un canto lo suficientemente fuerte puede causar la rotura de la copa.

Estas imágenes que vemos son del puente de Tacoma Narrows que en 1940 debido a turbulencias de viento que tenia la misma frecuencia que la frecuencia natural del puente, el sistema entro en resonancia y la estructura colapso. Por suerte las personas que estaban en el mismo tuvieron tiempo de salir antes que se produzca el derrumbe. Video

Compresión y rarefacción de ondas

Un ejemplo de creación de ondas es el siguiente: consideremos un recipiente con aire en su interior; supongamos que la parte superior del recipiente está cubierta con una membrana elástica que no deja pasar el aire hacia afuera. Ahora apretamos la membrana para comprimir el aire dentro del recipiente, por lo cual el aire adyacente a la membrana se comprime. De esta forma la compresión se va propagando a lo largo de todas las regiones dentro del recipiente. En este caso la onda es de compresión del aire y el medio en que se propaga es precisamente aire.

Otra posibilidad es que en lugar de apretar la membrana la estiremos hacia arriba. En este caso el aire que queda junto a la membrana ocupa un volumen mayor que el que tenía originalmente. Como las cantidades de aire son las mismas, ahora el aire queda diluido, es decir rarificado. Este efecto es el opuesto al de compresión,  ahora la perturbación que se propaga por aire es la rarefacción, por lo tanto la onda generada es de rarefacción.

Oscilaciones Amortiguada

En verdaderos sistemas oscilantes, un resorte o un  péndulo finalmente dejan de oscilar, debido a que la energía del sistema se disipa en rozamiento. Tal movimiento se denomina amortiguado. Si el amortiguamiento es pequeño, el sistema oscila con una amplitud que decrece lentamente en el tiempo. En la primer figura vemos un ejemplo de un sistema amortiguado y en la segunda figura vemos como seria la grafica de la posición en función del tiempo.

                              

                         

Amortiguamiento crítico

Ocurre cuando la resistencia es muy grande y el sistema retorna a la posición de equilibrio en el tiempo más breve posible sin oscilación. En muchas aplicaciones prácticas se usan un amortiguador  crítico o casi crítico para evitar las oscilaciones y sin embargo conseguir que el sistema vuelva a la posición de equilibrio rápidamente. Un ejemplo es el empleo de sistemas que absorben choques para amortiguar las oscilaciones de un automóvil.

Curvas de amortiguamiento

Un grafico de la amplitud de oscilaciones versus frecuencia inducida es llamado curva de resonancia. La agudeza del pico es afectada por la cantidad de amortiguamiento en el sistema.