3.4 Energía, potencia e intensidad

Las ondas transportan energía. La energía transmitida por una onda mecánica armónica unidimensional es coincidente con la energía mecánica del oscilador armónico que origina la onda.

Recordando que la energía de un oscilador armónico toma como valor el máximo de la energía potencial.

La constante elástica depende la masa del oscilador y de la frecuencia de oscilación.

Podrás ver que la energía que transporta una onda mecánica armónica es directamente proporcional al cuadrado de la frecuencia, al cuadrado de la amplitud y a la masa de las partículas que vibran.

El foco emisor es el elemento determinante en la frecuencia de la onda, tal magnitud es independiente de la máxima elongación, amplitud, y el constante mientras que la onda se propaga y, también, en el caso de las ondas unidimensionales, especifica la potencia o la energía transmitida por la onda por unidad de tiempo:

Si una perturbación empieza a trasmitirse en un medio sin perdidas de energía, estamos ante una situación en la cual la energía inicial debe repartirse a través del frente de ondas. En este aspecto, existen ciertas diferencias según sea la onda: plana, circular o esférica.

Debido a su importancia, sobre todo práctica, la disertación se basará en las ondas esféricas, tanto la luz como el sonido están incluídas en este grupo, ondas tridimensionales, además de ser producidas por focos puntuales.
Debes suponer que el medio por el que se transmite la onda es un medio homogéneo e isótropo, es decir, un medio cuya densidad es constante y la velocidad de propagación de las ondas también lo es y no depende de la dirección de propagación.
Cuando la energía del foco alcanza a los puntos situados a una cierta distancia del origen de la onda "r", te encontraras con un conjunto de puntos que se hallan en fase, es decir, que vibran al unísono y, por consiguiente, formarán un frente de onda.

Imagen de FJGAR en Wikimedi Commons. CC

Al alejarse la onda del centro emisor, el frente de onda considerado contrendra mayor número de puntos por el cual se repartía energía emitida desde el foco. En conclusión, a mayor distancia menor será la amplitud de la oscilación. Este fenómeno se conoce con el nombre de atenuación, y no implica pérdida de energía sino tan solo disminución de la amplitud de la onda. En ningún momento cambia la frecuencia de la onda.

Para enteder esa dependencia. Se parte desde la intensidad.

Usando la densidad del medio:

La intensidad toma el siguiente valor:

La intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud.

Por otro lado, si comparamos las intensidades a distintas distancias, se puede ver que la intensidad es proporcional al cuadrado de la distancia al centro emisor.

 

Por otro lado, la intensidad es proporcional a la amplitud, luego se puede ver que:

Imagen de FJGAR en Wikimedia Commons. CC

En toda perturbación que se propaga ocurre que la intensidad y la amplitud se van amortiguando al aumentar la distancia al foco emisor. Sin embargo la frecuencia de la vibración se mantiene invariante. Cuando una onda llega a la superficie que separa dos medios, se ve afectada por ese cambio de medio. Puede ocurrir que se absorba toda la energía, desapareciendo totalmente la onda. A ese fenómeno se le conoce por absorción. Obviamente, la absorción no es inmediata siempre. En el caso de ondas planas, si llamamos a α coeficiente de absorción del medio, se tiene una expresión: La fórmula representa a la ley general de absorción del movimiento ondulatorio. Donde Io es la intensidad inicial e I la intensidad de la onda después de haber atravesado un medio de espesor "l".