Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Ondas Sonoras y el Efecto Doppler


Introducción

Las ondas sonoras son una parte fascinante de la física, representando ondas mecánicas que viajan a través de un medio, especialmente a través del aire. Se generan debido a las vibraciones y transportan energía de un lugar a otro. El sonido es importante en nuestra vida diaria, permitiendo la comunicación y enriqueciendo varias experiencias, desde la música hasta los sistemas de alerta. Cuando se combinan con el efecto Doppler, las ondas sonoras revelan un reino de fenómenos interesantes que podemos observar y utilizar en varias aplicaciones.

¿Qué son las ondas sonoras?

Las ondas sonoras son ondas longitudinales producidas por objetos en vibración. Necesitan un medio como aire, agua o sólidos para viajar. Estas vibraciones causan que las partículas en el medio oscilen paralelamente a la dirección de la onda, creando regiones de compresión y rarefacción, que son períodos en los que el aire está comprimido y expandido:

          -----> Partículas de Aire Comprimido 
          <----- partículas de aire se esparcen

La frecuencia de las ondas sonoras determina el tono, mientras que la amplitud determina el volumen. Las ondas sonoras pueden viajar a diferentes velocidades dependiendo del medio, y generalmente viajan mucho más rápido en sólidos que en líquidos y gases.

Ecuación de la onda sonora

Una onda sonora se puede expresar matemáticamente usando la ecuación de onda:

            P(x,t) = P₀ sin(kx – ωt + φ)

Dónde:

  • p(x,t) es el cambio de presión en la posición x y el tiempo t.
  • P₀ es el cambio máximo de presión (amplitud).
  • k es el número de onda, que es igual a 2π/λ (donde λ es la longitud de onda).
  • ω es la frecuencia angular, 2πf (donde f es la frecuencia).
  • φ es la fase de la onda.

Efecto Doppler

El efecto Doppler, nombrado en honor al físico austríaco Christian Doppler, es un cambio notable en la frecuencia o longitud de onda de una onda en relación con un observador que se mueve respecto a la fuente de la onda. Para las ondas sonoras, se observa siempre que hay movimiento relativo entre la fuente de sonido y el observador. Este efecto es la razón por la cual una sirena de ambulancia parece cambiar de tono al pasar junto a ti.

Entendiendo el Efecto Doppler con un ejemplo simple

Imagina que estás parado al lado de la carretera y un coche se acerca a ti tocando su bocina. A medida que se acerca, el sonido de la bocina se vuelve más fuerte porque las ondas sonoras se comprimen. A medida que el coche se aleja más y más, el sonido de la bocina se vuelve más bajo porque las ondas sonoras se estiran.

El cambio en la frecuencia refleja el efecto Doppler y puede expresarse matemáticamente. Para una onda sonora, suponiendo que la fuente se mueve hacia un observador estacionario:

            f' = f (v + v₀) / (v - v₀)

Dónde:

  • f' es la frecuencia observada.
  • f es la frecuencia de la fuente.
  • v es la velocidad del sonido en el medio.
  • v₀ es la velocidad del observador.
  • vs es la velocidad de la fuente.

Ejemplo visual

Propagación de la onda sonora

dirección de la onda sonora

Observa cómo las ondas sonoras se propagan a medida que las partículas en el medio vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio.

Ejemplo del Efecto Doppler en acción

coche las ondas sonoras que se acercan están comprimidas las ondas sonoras que se alejan se expanden

Esta ilustración muestra un coche moviéndose a la derecha, con ondas sonoras comprimidas (alta frecuencia, tono alto) a la izquierda y ondas sonoras extendidas (baja frecuencia, tono bajo) a la derecha.

Aplicaciones prácticas

Las implicaciones de comprender las ondas sonoras y el efecto Doppler se extienden a una variedad de aplicaciones en el mundo real. Aquí hay algunas de las áreas donde encuentran una utilidad significativa:

Imágenes médicas

Una de sus principales aplicaciones es en el diagnóstico médico, particularmente en la ecografía Doppler, que mide la velocidad del flujo sanguíneo. El principio del efecto Doppler permite a los técnicos determinar la velocidad y dirección del flujo sanguíneo en los vasos, lo cual es útil para diagnosticar una variedad de condiciones.

Astronomía

Los astrónomos usan el efecto Doppler para determinar la velocidad de las estrellas y galaxias. Al observar el desplazamiento en la frecuencia de la luz, los astrónomos pueden inferir si los objetos celestes se están moviendo hacia o alejándose de la Tierra, lo que nos ayuda a comprender la expansión del universo.

Tecnología policial y de radar

Las agencias de aplicación de la ley utilizan radares que usan el efecto Doppler para medir la velocidad de los vehículos. La frecuencia de la onda de radar devuelta en comparación con la onda transmitida indica la velocidad del vehículo, ayudando en el monitoreo y control del tráfico.

Conclusión

El estudio de las ondas sonoras y el efecto Doppler es un capítulo importante en la exploración de la mecánica clásica, vinculando aplicaciones prácticas y física fundamental. Los principios elucidatos por estos conceptos enriquecen nuestra comprensión de la dinámica de ondas e interacciones. Comprender su papel en la mecánica de los fenómenos cotidianos conduce a profundas ideas e innovaciones en ambos campos tecnológicos y científicos.


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