Física (también "Fundamentos Físicos de la Ingeniería", "Mecánica").

Visualizador de ondas unidimensionales

Marcos H. Giménez Valentín, Isabel Salinas Marín y Juan A. Monsoriu Serra

Introducción

El applet permite que el usuario seleccione diversos tipos de ondas unidimensionales (longitudinal, transversal, mixta, sinusoidal o no, estacionaria o no) en distintos tipos de medios (heterogéneo o no, dispersivo o no, absorbente o no), y modifique sus valores característicos (amplitud, período, longitud de onda, velocidad).

El visor muestra una animación del movimiento de osciladores individuales del medio, así como la onda resultante.

Con la simulación detenida o en modo pausa, el usuario puede pulsar con el ratón sobre uno o más osciladores para marcarlos en rojo. Cuando la animación se reproduzca, esos osciladores irán trazando su trayectoria individual, facilitando la diferenciación entre su movimiento propio y el de la onda.

Objetivos

* Percibir el movimiento ondulatorio como el de un conjunto de osciladores individuales que se mueven desfasados.

* Comprender que la amplitud y el período de los osciladores individuales coinciden con los de la onda.

* Diferenciar los conceptos de período (tiempo para la repetición) y longitud de onda (distancia para la repetición).

* Comprobar que la velocidad de una onda sinusoidal es igual a su longitud dividida por su período.

* Comprender la diferencia entre ondas longitudinales, transversales y mixtas.

* Distinguir las ondas estacionarias de las progresivas. Comprender los conceptos de nodo y antinodo.

* Visualizar cómo cambia la velocidad de la onda cuando al penetrar en un nuevo medio cambia su longitud.

* Comprobar cómo afecta el coeficiente de absorción a la amplitud de la onda.

*Comprobar cómo afecta a una onda no sinusoidal que el medio sea dispersivo (la forma de la onda varía) o no (dicha forma se mantiene).

Instrucciones

1. Situando el ratón sobre la mayor parte de los elementos de la interfaz aparece un globo con su descripción.

2. En el panel "Tipo de onda y de medio" puede elegirse entre: onda sinusoidal o no sinusoidal (superposición de dos ondas sinusoidales); onda longitudinal, transversal o mixta; onda estacionaria o no; medio heterogéneo o no; medio dispersivo o no; y medio absorbente o no. Si el medio es absorbente, puede seleccionarse el valor del coeficiente de absorción ; téngase en cuenta que la energía disminuye con la distancia x según el factor e^-ßx, por lo que la amplitud lo hace con e^-ßx/2.

3. Las deslizaderas del panel "Definición de la onda" controlan los parámetros característicos de la primera (o única) componente sinusoidal, así como de la segunda (sólo si se ha seleccionado que la onda sea no sinusoidal). Dichos parámetros son la amplitud (constante si el medio no es absorbente; inicial si lo es), el período, la longitud de onda y la velocidad. Si se selecciona la opción "Medio heterogéneo", también se controlan la longitud de onda y la velocidad en el segundo medio.

4. Al seleccionar los valores, debe tenerse en cuenta que el período, la longitud de onda y la velocidad no son independientes. Por ese motivo, al variar uno de ellos se modifica también uno de los otros dos.

5. Si el medio es no dispersivo, la velocidad de la segunda componente sinusoidal de una onda ha de ser la misma que la de la primera, por lo que sólo se puede seleccionar su período. Si el medio es dispersivo, la segunda componente tiene su propia velocidad.

6. Los botones de la consola permiten detener el movimiento, pausarlo, ponerlo en marcha, y retroceder y avanzar de fotograma en fotograma. También se indican el instante actual y el período de la onda (mínimo común múltiplo de los períodos de las dos componentes, si las hay). La barra indica cuánto tiempo se lleva del período actual.

7. Con la simulación detenida o en modo pausa, se puede pulsar con el ratón sobre uno o más osciladores para marcarlos en rojo. Cuando la animación se reproduzca, esos osciladores irán trazando su trayectoria individual. Pulsando de nuevo sobre un oscilador rojo, vuelve a ser azul y ya no se traza su trayectoria.

8. La opción "Reiniciar" en el menú "Herramientas" devuelve la simulación a su estado inicial.

Ejemplo

1. Con los valores por defecto, utilícese la consola para poner en marcha la simulación. Obsérvese cómo se mueven los osciladores individuales y cómo lo hace la sinusoide que conforman (la onda).

2. Póngase la simulación en pausa. Púlsese sobre los osciladores situados en las posiciones 0,0'25 y 0'50, que quedan de color rojo. Reanúdese la animación. Obsérvese que los tres osciladores tienen el mismo movimiento, pero retrasado cuanto más a la derecha están situados.

3. Páusese la simulación de nuevo. Púlsese sobre los osciladores situados en las posiciones 0'25, 0'50 (para desactivarlos), 4 y 8 (para activarlos). Reanúdese la animación. Nótese que los tres osciladores activados se mueven de forma idéntica (en realidad el central va retrasado un período, y el derecho dos). Obsérvese que en 3s (el período) la flecha verde que muestra la velocidad de la onda pasa de estar en el oscilador izquierdo al central, recorriendo los 4m de la longitud de onda. Por tanto, la velocidad de la onda es igual a su longitud dividida por su período.

4. Selecciónese que la onda sea longitudinal. Obsérvese en la animación cómo son ahora la onda y el movimiento de los osciladores. Repítase el proceso con la onda mixta. Nótese que éste es el caso del oleaje, con crestas apuntadas que impulsarían un flotador hacia la costa, y valles más tendidos que lo arrastrarían mar adentro.

5. Pruébese la opción de onda estacionaria con las ondas longitudinal, transversal y mixta. En este último caso actívense varios osciladores para visualizar sus trayectorias.

6. Púlsese la opción "Reiniciar" en el menú "Herramientas". Actívese la opción de medio heterogéneo. Actívense los osciladores situados en las posiciones 0, 4, 6 y 8. Nótese que los cuatro se mueven de forma idéntica. Obsérvese además que la velocidad de la onda se reduce en el segundo medio. Intercámbiense los valores de v y v' y obsérvense las consecuencias.

7. Desactívese la opción de medio heterogéneo, y actívese la de onda no sinusoidal. Compruébese que los valores para la primera componente son: amplitud 0'50m, período 3'0s, longitud 4'0m; y para la segunda: amplitud 0'30m y período 1'5s. Nótese que ambas componentes tienen la misma velocidad, 1'33m/s. Póngase en marcha la simulación. Compruébese que la forma de la onda no es sinusoidal, pero que se mantiene al desplazarse hacia la derecha.

8. Actívese la opción de medio dispersivo. Nótese que ahora las dos componentes tienen distinta velocidad. Póngase en marcha la simulación. Compruébese que ahora la forma de la onda no se mantiene.

9. Desactívese la opción de onda no sinusoidal. Actívese la opción de medio absorbente. Pruébese el efecto de variar el valor del coeficiente de absorción.

Applet