Autor Tema: Motivo por el cual la velocidad de una onda sólo depende del medio

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09 Marzo, 2022, 09:37 am
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Masacroso

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Buenas, mirando un vídeo de física en youtube me ha surgido una duda trascendental. En el vídeo se dice que la velocidad de una onda en un medio es constante y que depende únicamente del medio. Buscando más información en internet al respecto he visto que esto se afirma en todos lados, pero la única explicación de por qué esto es así que he encontrado es empírica, es decir, que si hacemos mediciones verificamos que la velocidad de cualquier onda en un medio permanece constante.

Me gustaría saber el por qué ocurre esto, si es que las causas se conocen (intuyo que sí, aunque no he podido encontrar de momento la información buscando en internet), o saber si es una verdad empírica (de causas desconocidas pero que se verifica siempre en la práctica), es decir, cuál es el mecanismo que impide que haya dos ondas (o pulsos) de diferentes velocidades en un mismo medio.

Si resulta que la respuesta a esto es demasiado complicada me gustaría saber dónde podría encontrar información más detallada sobre el tema.

09 Marzo, 2022, 01:09 pm
Respuesta #1

martiniano

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Hola.

Por ejemplo aquí se explica por qué, bajo unas ciertas hipótesis, se producen ondas en cuerdas. Se asume que una onda es toda función de la posición y del tiempo que satisface la ecuación de ondas:

\[ \frac{{\partial^2 f}}{{\partial x^2}}=\displaystyle\frac{1}{v^2}\frac{{\partial^2 f}}{{\partial t^2}} \]

Y que en dicha ecuación la constante \[ v \] es la velocidad de propagación de la onda. Dicha constante recibe ese nombre porque al resolver la ecuación en derivadas parciales sale que \[ f(x, t) =f_1(x+vt)+f_2(x-vt) \] con \[ f_1,f_2 \] funciones arbitrarias.

Recuerdo que había muchas explicaciones similares para sacar la ecuación de onda (y por tanto las velocidades de propagación) en gases perfectos, sólidos elásticos, interfaces entre líquidos y gases, etc. Lo que ahora mismo no he encontrado nada más.

Recuerdo también detalles como que en los gases había que decantarse por una de dos opciones, que eran que la transformaciones en el gas eran isotermas o adiabáticas. La experiencia empírica decantaba la cuestión en favor de la segunda opción. Pero claro, esto deja intuir que en física toda explicación teórica es válida siempre y cuando no contradiga los resultados experimentales. Y parte, además, de unas hipótesis muy concretas.

Recuerdo también que cuando se explicaba el fenómeno de ondas superficiales en líquidos, en aguas poco profundas la velocidad de propagación dependía de factores como la profundidad de dichas aguas.

¿Quién sabe dónde andarán mis apuntes de todo esto? ::)

Un saludo.

09 Marzo, 2022, 01:18 pm
Respuesta #2

AlbertR

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Supongo que cuando dices  "...la velocidad de una onda en un medio es constante y que depende únicamente del medio..." te refieres a una onda electromagnética. Cada material debido a su composición molecular es más o menos sensible al campo magnético y al campo eléctrico. La sensibilidad de un material al campo eléctrico se llama permitividad y la sensibilidad al campo magnético, permeabilidad.

La velocidad de una onda electromagnética de permitividad \( \epsilon \) y permeabilidad \( \mu \) es:

\( \displaystyle c=\frac 1{\sqrt{\epsilon \mu}} \)

Recuerdo un vídeo muy interesante sobre el tema:

https://youtu.be/CUjt36SD3h8

Saludos.

09 Marzo, 2022, 01:55 pm
Respuesta #3

Masacroso

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Hola.

Por ejemplo aquí se explica por qué, bajo unas ciertas hipótesis, se producen ondas en cuerdas. Se asume que una onda es toda función de la posición y del tiempo que satisface la ecuación de ondas:

\[ \frac{{\partial^2 f}}{{\partial x^2}}=\displaystyle\frac{1}{v^2}\frac{{\partial^2 f}}{{\partial t^2}} \]

Y que en dicha ecuación la constante \[ v \] es la velocidad de propagación de la onda. Dicha constante recibe ese nombre porque al resolver la ecuación en derivadas parciales sale que \[ f(x, t) =f_1(x+vt)+f_2(x-vt) \] con \[ f_1,f_2 \] funciones arbitrarias.

Recuerdo que había muchas explicaciones similares para sacar la ecuación de onda (y por tanto las velocidades de propagación) en gases perfectos, sólidos elásticos, interfaces entre líquidos y gases, etc. Lo que ahora mismo no he encontrado nada más.

Recuerdo también detalles como que en los gases había que decantarse por una de dos opciones, que eran que la transformaciones en el gas eran isotermas o adiabáticas. La experiencia empírica decantaba la cuestión en favor de la segunda opción. Pero claro, esto deja intuir que en física toda explicación teórica es válida siempre y cuando no contradiga los resultados experimentales. Y parte, además, de unas hipótesis muy concretas.

Recuerdo también que cuando se explicaba el fenómeno de ondas superficiales en líquidos, en aguas poco profundas la velocidad de propagación dependía de factores como la profundidad de dichas aguas.

¿Quién sabe dónde andarán mis apuntes de todo esto? ::)

Un saludo.

Gracias martiniano, sí, una ecuación diferencial podría servir para entender los motivos. Gracias por la explicación.

Supongo que cuando dices  "...la velocidad de una onda en un medio es constante y que depende únicamente del medio..." te refieres a una onda electromagnética.

No, me refiero a cualquier onda. Igualmente te agradezco la explicación AlbertR.


09 Marzo, 2022, 01:58 pm
Respuesta #4

geómetracat

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Hasta donde yo sé no es exactamente cierto que "la velocidad de una onda en un medio es constante y depende únicamente del medio". En todo caso sería cierto para ondas monocromáticas. Pero en general los medios tienen una cierta dispersión: ondas con distinta frecuencia tienen distinta velocidad. Esto es lo que hace que por ejemplo al pasar luz blanca por un prisma veamos los colores descompuestos.

En cualquier caso, la velocidad de una onda en un medio dado y la relación de dispersión se puede deducir (al menos en teoría) a partir de las características del medio. Esto se hace en elasticidad o en mecánica de fluidos dependiendo de magnitudes macroscópicas (como la densidad de un gas, etc.) o en física estadística y de estado sólido a partir de la composición microscópica del material (por ejemplo, en sólidos cristalinos). Aunque sospecho que en la práctica se debe obtener todo empíricamente.
La ecuación más bonita de las matemáticas: \( d^2=0 \)

09 Marzo, 2022, 02:08 pm
Respuesta #5

Masacroso

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Hasta donde yo sé no es exactamente cierto que "la velocidad de una onda en un medio es constante y depende únicamente del medio". En todo caso sería cierto para ondas monocromáticas. Pero en general los medios tienen una cierta dispersión: ondas con distinta frecuencia tienen distinta velocidad. Esto es lo que hace que por ejemplo al pasar luz blanca por un prisma veamos los colores descompuestos.

En cualquier caso, la velocidad de una onda en un medio dado y la relación de dispersión se puede deducir (al menos en teoría) a partir de las características del medio. Esto se hace en elasticidad o en mecánica de fluidos dependiendo de magnitudes macroscópicas (como la densidad de un gas, etc.) o en física estadística y de estado sólido a partir de la composición microscópica del material (por ejemplo, en sólidos cristalinos). Aunque sospecho que en la práctica se debe obtener todo empíricamente.


Gracias geómetracat, ya se va aclarando el asunto. Ya tengo más datos para ir tirando del hilo.

10 Marzo, 2022, 04:47 am
Respuesta #6

Richard R Richard

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se dice que la velocidad de una onda en un medio es constante y que depende únicamente del medio.


Las ondas mecánicas en el agua (profunda) viajan a velocidad \( v=\dfrac{gT}{2\pi}  \)
g=aceleración de la gravedad , T periodo de la Onda ,

Así que en ondas mecánicas en el agua no depende tanto del medio pero si de la frecuencia o su inverso el periodo... no es tan certera esa frase,
 por lo demás el medio si es importante para variar la velocidad, dada siempre la misma frecuencia inicial,  la tensión de  una cuerda, la densidad de un gas, el modulo de compresibilidad, son factores que permiten establecer la velocidad de las ondas en medios elásticos , gaseosos y líquidos respectivamente.


la relación entre la velocidad y la longitud de onda es \( v=\dfrac{\lambda}{T} \)
Si que cuando lanzas una piedra al agua,  puedes hacer que las ondas viajen mas o menos rápido en el agua según el impacto inicial..
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

10 Marzo, 2022, 05:59 am
Respuesta #7

Masacroso

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Las ondas mecánicas en el agua (profunda) viajan a velocidad \( v=\dfrac{gT}{2\pi}  \)
g=aceleración de la gravedad , T periodo de la Onda ,

Así que en ondas mecánicas en el agua no depende tanto del medio pero si de la frecuencia o su inverso el periodo... no es tan certera esa frase,
 por lo demás el medio si es importante para variar la velocidad, dada siempre la misma frecuencia inicial,  la tensión de  una cuerda, la densidad de un gas, el modulo de compresibilidad, son factores que permiten establecer la velocidad de las ondas en medios elásticos , gaseosos y líquidos respectivamente.


la relación entre la velocidad y la longitud de onda es \( v=\dfrac{\lambda}{T} \)
Si que cuando lanzas una piedra al agua,  puedes hacer que las ondas viajen mas o menos rápido en el agua según el impacto inicial..


Muchas gracias Richard, me va quedando más claro. Ya veo que el panorama no era tan sencillo después de todo.