Onda Transversal plana (G.53)

Trabajo realizado por estudiantes
Título	Onda Transversal plana (G.53).
Asignatura	Teoría de Campos
Curso	2025-26
Autores	Carmen Fernández Genoveva Moreno Victoria González Cayetana Ortiz
Este artículo ha sido escrito por estudiantes como parte de su evaluación en la asignatura

4 Campo de vectores desplazamiento a través de la placa

A partir del enunciado, utilizamos los datos proporcionados para definir el campo de desplazamientos.

Tomando t=0 y dado que:

[math] \vec{a}=\frac{1}{10}\vec{i}[/math]  y  [math]\vec{b}=\pi\vec{j}[/math], el desplazamiento viene dado por la expresión: [math]\vec{u}(x,y)=\frac{1}{10}cos({Π}y)\vec{i}[/math]

Esto implica que la componente horizontal es: [math] u_x=0.1cos({Π}y)[/math]   mientras que la componente horizontal es nula: [math]u_y=0[/math]

A continuación se representa esta campo vectorial sobre el mallado del sólido:

Imagen del campo de desplazamientos

Apartado 4: mallado campo de vectores u(x,y)
h = 0.1;
x = -0.5:h:0.5;
y = 0:h:4;

[X,Y] = meshgrid(x,y);      % mismo mallado que antes

% u(x,y) = (1/10) cos(pi*y) i
ux = 0.1 * cos(pi * Y);     % componente en x
uy = zeros(size(Y));        % componente en y
figure;

quiver(X, Y, ux, uy);       % dibuja el campo de vectores
axis equal;
xlim([-0.5 0.5]); ylim([0 4]);
xlabel('x'); ylabel('y');

title('Campo de desplazamientos u(x,y) = (1/10) cos(\pi y) \bfi');
grid on;

5 Placa desplazada

En este apartado representamos la placa antes y después de aplicar el campo de desplazamiento:

[math]\vec{u}(x,y) = (0.1\cos(\pi y),\, 0).[/math]

En el primer subplot aparece la placa original, y en el segundo la placa desplazada. Como el desplazamiento solo actúa en la dirección horizontal y depende de y, cada punto se mueve lateralmente una cantidad distinta. Esto permite visualizar de forma directa cómo la onda transversal deforma la placa de manera no uniforme.

Placa antes y después del desplazamiento.

Apartado 5: Placa antes y después del desplazamiento

% Mallado (usa el mismo que en el apartado 4)
h = 0.1;
x = -0.5:h:0.5;
y = 0:h:4;
[X,Y] = meshgrid(x,y);

% Campo de desplazamiento
ux = 0.1 * cos(pi * Y);
uy = zeros(size(Y));

% Puntos desplazados
X_new = X + ux;
Y_new = Y + uy;

% Figura con dos subplots
figure;

% Subplot 1: placa original
subplot(1,2,1);
plot(X, Y, 'k.', 'MarkerSize', 6);
axis equal;
xlabel('x'); ylabel('y');
title('Placa original');
xlim([-0.5 0.5]); ylim([0 4]);
grid on;

% Subplot 2: placa desplazada
subplot(1,2,2);
plot(X_new, Y_new, 'b.', 'MarkerSize', 6);
axis equal;
xlabel('x'); ylabel('y');
title('Placa desplazada');
xlim([-0.5 0.5]); ylim([0 4]);
grid on;

6 Divergencia del campo de desplazamiento

En este apartado calculamos la divergencia del campo de desplazamiento:

[math]\vec{u}(x,y) = \left(0.1\cos(\pi y),\,0\right)[/math]

Esta magnitud mide el cambio de volumen local producido por la deformación de la placa.

Como [math]u_x[/math] solo depende de [math]y[/math], su derivada respecto de [math]x[/math] es cero, y puesto que [math]u_y=0[/math], también lo es su derivada respecto de [math]y[/math]. Por tanto, la divergencia resulta nula en todo el dominio:

[math]\nabla \cdot \vec{u} = \frac{\partial u_x}{\partial x} + \frac{\partial u_y}{\partial y} = 0[/math]

Al representarla gráficamente, la figura muestra una superficie plana igual a cero, indicando que la placa no experimenta ni expansión ni compresión local. Este resultado es coherente con el movimiento transversal impuesto: la onda desplaza horizontalmente cada punto, pero no altera el volumen del material, tal y como ocurre en las ondas S.

Divergencia del campo de desplazamientos (nula en todo el dominio)

Apartado 6: Divergencia de u

% Mallado del dominio
h = 0.1;
x = -0.5:h:0.5;
y = 0:h:4;
[X,Y] = meshgrid(x,y);

% Campo de desplazamientos
ux = 0.1 * cos(pi * Y);   % componente horizontal del desplazamiento
uy = zeros(size(Y));      % componente vertical = 0

% Cálculo de la divergencia: div(u) = d(ux)/dx + d(uy)/dy
div_u = divergence(X, Y, ux, uy);

% Representación gráfica de la divergencia
figure;
surf(X, Y, div_u, 'EdgeColor','none');
xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('div(u)');
title('Divergencia del campo de desplazamientos');
colorbar;
view(40,30);

7 Rotacional

Para calcular el rotacional utilizaremos la siguiente formula: [math]∇ × \vec{u}= \begin{vmatrix}\vec{i} & \vec{j}& \vec{k}\\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y}& \frac{\partial }{\partial z}\\ u_{1}& u_{2}& u_{3} \end{vmatrix}[/math] Usada para calcular el rotacional en campos escalares.

Siendo en [math]t=0[/math]: [math]\vec u = \frac{1}{10}\cos \left ( \ {π}{y} \right )\vec{i} + 0\vec{j} + 0\vec{k}; [/math] [math]∇ × \vec{u}[/math] = [math]\begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k}\\ \frac{\partial }{\partial x} & \frac{\partial }{\partial y} &\frac{\partial }{\partial z} \\ \frac{1}{10}\cos \left ( \ {π}{y} \right ) & 0 & 0\end{vmatrix} = \frac{π}{10}\sin \left ( \ {π}{y} \right )\vec{k}; [/math]

Por lo tanto, el módulo es: [math]|∇ × \vec{u}|= \frac{π}{10}\sin \left ( \ {π}{y} \right )[/math]

Con la grafica podemos llegar a la conclusión que, donde la pendiente de la función que da cuánto se mueve cada punto (esa función es ux(y)u_x(y)ux​(y)) cambia más rápido con y, las partículas tienden a girar más localmente. En la placa eso se traduce en “zonas de mayor torsión” o cizallamiento por la onda.

Archivo:Representación rotacional

Representación rotalcional

clear;clc;
% Creamos el mallado
h=1/10;
x=0:h:4;
y=-0.5:h:0.5;
[X,Y]=meshgrid(x,y);
% Definimps el campo de desplazamiento
ux = 0.1 * cos(pi * Y);
uy = zeros(size(Y));
%Calculamos el rotacional
rot_u= (pi/10)sin(pi*Y);
%representacion
figure;
surf(X, Y, rot_u)
xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('rot(u)');
title('Rotacional de u');
axis([-0.5,0.5,0,4]);
axis equal
colorbar;
view(2);

8 Tensor de tensiones

Los campos tensoriales permiten representar cantidades tensoriales que dependen del punto en el que nos encontramos. En concreto el campo de tensiones de un sólido, asigna a cada punto el tensor de tensiones.

Se trata de un tensor [math]\mathbf{T}[/math] que, dado un vector unitario [math]\vec{n}[/math], devuelve un vector [math]\mathbf{T} \cdot \vec{n}[/math] que representa la tracción sobre el plano ortogonal a [math]\vec{n}[/math].

La componente [math]\sigma_n = \vec{n} \cdot \mathbf{T} \cdot \vec{n}[/math] de este vector en la dirección de [math]\vec{n}[/math] corresponde a la tensión normal sobre dicho plano.

En este caso se nos da un tensor de tensiones que depende de otro tenso, el tensor de deformaciones.

El tensor de deformaciones,Ԑ, y el tensor de tensiones, σ, definidos a continuación,
[math]Ԑ(\vec{u}) = (∇\vec{u} + ∇\vec{u}t)/2[/math] [math]σ=λ∇·\vec{u}I + 2μԐ[/math],

donde Ԑ será la parte simétrica del tensor [math]∇·\vec{u}[/math]; [math]I[/math] es el tensor identidad en [math]R^3[/math], y ([math]λ[/math], [math]µ[/math]) son los llamados coeficientes de Lamé, que determinan las características elásticas de cada material. Para este caso tomaremos que [math]λ=µ=1[/math].

Teniendo el vector: [math]\vec{u}=(\frac{1}{10}cos(\ {π}{y}) , 0 , 0)[/math]

Calculamos su gradiente

10 Tensiones tangenciales respecto al plano ortogonal a 𝑗⃗

a tensión tangencial asociada al plano cuya normal es [math]\mathbf{j} = (0,1,0)[/math] es la componente:

[math] \sigma_{12} [/math]

correspondiente al esfuerzo cortante en el plano horizontal actuando en la dirección del eje 𝑥 x.

10.1 10.1 Expresión analítica

Dado el campo de desplazamientos:

[math] u_x(y) = \frac{1}{10}\cos(\pi y), \qquad u_y = 0 , [/math]

la derivada relevante es:

[math] \frac{\partial u_x}{\partial y} = -\frac{\pi}{10}\sin(\pi y). [/math]

El tensor de deformaciones simétrico aporta:

[math] \varepsilon_{xy} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_x}{\partial y} + \frac{\partial u_y}{\partial x}\right) = - \frac{\pi}{20}\sin(\pi y). [/math]

Como la divergencia es cero, [math]\nabla\cdot \mathbf{u} = 0[/math], y usando [math]\lambda = 1[/math], [math]\mu = 1[/math], la ecuación constitutiva:

[math] \sigma_{ij} = \lambda (\nabla\cdot \mathbf{u})\delta_{ij} + 2\mu \varepsilon_{ij} [/math]

da:

[math] \sigma_{xy} = 2\varepsilon_{xy} = -\frac{\pi}{10}\sin(\pi y). [/math]

La magnitud de la tensión cortante es entonces:

[math] \lvert \sigma_{12} \rvert = \frac{\pi}{10}\,\lvert \sin(\pi y)\rvert. [/math]

10.2 10.2 Interpretación física

La componente [math]\sigma_{12}[/math] representa el esfuerzo cortante que sufre la placa como consecuencia de la onda transversal.

Su valor absoluto es máximo cuando:

[math] \lvert \sin(\pi y)\rvert = 1, [/math]

lo que ocurre en:

[math] y = 0.5,\; 1.5,\; 2.5,\; 3.5. [/math]

Esto significa que:

Existen bandas horizontales de máximo cortante, independientes de 𝑥 x.

Las zonas donde [math]\lvert\sigma_{12}\rvert[/math] es máxima coinciden con las regiones donde la variación vertical del desplazamiento [math]u_x(y)[/math] es mayor.

También coinciden con las regiones de máximo rotacional del campo de desplazamientos.

Estas franjas de esfuerzo representan las zonas donde el material experimenta mayor cizallamiento debido a la onda transversal que se propaga.