Onda - Ondas en una membrana

Lanza una piedra imaginaria y ve a qué velocidad se propagan las ondas.

Ciencia Fácil 🧪
¡Para curiosos!

¡Piedras al agua! ¿Has tirado una piedra a un charco de agua? Se forman círculos (ondas) que viajan hacia afuera y rebotan en las orillas. Aquí puedes tirar piedras virtuales y ver qué tan rápido viajan los círculos.

Monitor del Dominio Científico
Región: Patzcuaro

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¿Qué es la Ecuación de Onda? 🧐

La ecuación de onda describe la propagación de perturbaciones y energía oscilatoria a través de un medio (como el aire, el agua o una membrana tensa) a una velocidad determinada. A diferencia de la difusión, la onda conserva la energía oscilando en lugar de disiparse de inmediato.


Analogías Físicas y Aplicaciones:
  • Piedra en un estanque: Al lanzar una piedra al agua quieta, perturban la superficie y crean círculos concéntricos de olas que viajan hacia afuera y rebotan en las orillas.
  • Instrumentos musicales: El sonido de una guitarra o un tambor se genera por ondas de presión en el aire producidas por la vibración de las cuerdas o del parche elástico.
  • Sismología: Las ondas sísmicas viajan a través de la corteza terrestre durante un terremoto. Esta ecuación ayuda a los ingenieros a predecir cómo se moverá el suelo y a diseñar edificios antisísmicos.
Dinámica de Ondas e Integración de Verlet 🧠

Ecuación de Onda Bidimensional:

$$\frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 u \implies \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} = c^2 \left(\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2}\right)$$

  • \(\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}\): Aceleración vertical del medio en cada punto (segunda derivada temporal).
  • \(c\): Velocidad de propagación de la fase de la onda.
  • \(\nabla^2 u\): El operador Laplaciano espacial, que actúa como la fuerza de tensión elástica local restauradora.

Integración Temporal de Verlet en mGFD:

Las ecuaciones diferenciales de segundo orden en el tiempo requieren esquemas que preserven la inercia del sistema y almacenen datos históricos de pasos previos:

  1. El Laplaciano espacial \(\nabla^2 u^n\) se aproxima en cada nodo de la nube usando el soporte irregular del mGFD.
  2. Se utiliza el Esquema de Verlet (o diferencias finitas centradas de segundo orden) en el tiempo: $$u^{n+1} \approx 2u^n - u^{n-1} + c^2 \Delta t^2 \nabla^2 u^n$$
  3. Para calcular la inercia, se requiere conservar el estado actual (\(u^n\)) y el estado inmediatamente anterior (\(u^{n-1}\)).
  4. Para observar reflexiones elásticas en las orillas irregulares de los lagos, se implementan condiciones de frontera reflectivas de Dirichlet (\(u=0\)) o Neumann elástico homogéneo (\(\frac{\partial u}{\partial n}=0\)).
Cabina de Control
Curiosidad Geográfica

¿Sabías que... el lago de Pátzcuaro está lleno de islas hermosas, como Janitzio? Como no es muy profundo, el viento empuja fácilmente sus aguas creando corrientes muy curiosas.


Valor: 1.0
Misiones y Desafíos 🎯

Completa estas misiones del laboratorio cargando los parámetros ideales:

Lanza una piedra virtual. Configura una velocidad de propagación alta para ver múltiples frentes de onda.

Objetivo: Estudiar la propagación oscilatoria y los rebotes elásticos en las fronteras de Patzcuaro.

Ejecutando Solucionador mGFD

Iniciando solucionador de diferencias finitas...

Procesando dominio físico...