Ondas
Una onda se puede definir, en términos simples, como una perturbación que se propaga a lo largo de una dirección dada con una cierta velocidad y que implica un transporte de energía sin transporte de materia.
Las ondas pueden ser mecánicas o electromagnéticas. Las ondas mecánicas requieren de un medio, como por ejemplo el aire o el agua, para propagarse, y utilizan las propiedades elásticas del medio para hacerlo. Al someter un punto de un medio continuo a una perturbación de pequeña magnitud, las fuerzas elásticas actúan produciendo oscilaciones que se transmiten a los puntos vecinos permitiendo de esta forma que la onda se propague. Las perturbaciones se suponen de pequeña amplitud, pues de lo contrario originarían una deformación permanente en el medio.
Las ondas mecánicas pueden clasificarse en general en :
(I) Ondas transversales: Son aquellas en las que la deformación tiene lugar en la dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda, como por ej. una onda que se propaga en una cuerda tensa.
(II) Ondas longitudinales: Son aquellas en las que la deformación tiene lugar en la misma dirección que la de propagación de la onda, como por ej. las ondas en un resorte o una onda de presión en el aire (sonido).
Las ondas mecánicas pueden también ser combinaciones de ambos tipos de ondas, como ocurre con las ondas superficiales en un lago o con las ondas sísmicas.
Las ondas electromagnéticas, por el contrario, no requieren de un medio para propagarse: Pueden propagarse en el vacío. Estas ondas incluyen las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la luz, la radiación ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma, etc., las cuales difieren entre si en la frecuencia de la onda. Son ondas transversales, que se propagan todas a la velocidad de la luz c.
Longitud de onda
La longitud de onda identificada generalmente con la letra griega λ es la distancia entre dos puntos idénticos de una onda, como por ejemplo la distancia entre dos picos o crestas, o entre dos valles sucesivos.
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También se puede definir como la distancia que avanza la onda al realizar una oscilación completa.
La figura muestra una onda viajera, que podría representar, por ejemplo, una perturbación que se propaga a lo largo de una cuerda tensa, donde se señala la longitud de onda.
La longitud de onda, dependiendo de que tipo de onda describimos, puede variar desde los km o metros, como es el caso de las ondas de radio, o fracciones de la millonésima parte del metro como es el caso de la luz, cuya longitud de onda se suele medir en nanometros. Un nanometro es la mil millonésima parte de 1 metro. Así la longitud de onda más corta del espectro visible, (fracción del espectro electromagnético para la cual nuestra vista es sensible) corresponde al color violeta, cuya longitud de onda es de aproximadamente 400 nanometros. En el otro extremo tenemos el color rojo con la longitud de onda más larga, que es de 800 nanometros.
Frecuencia de una onda
Representa el número de crestas ó máximos por segundo que vemos en un punto fijo de la cuerda. Cuando damos un impulso a la cuerda en algún punto, esta perturbación se propaga a lo largo de la misma. Si fijamos nuestra vista en un punto de la cuerda, cuando éste es alcanzado por la perturbación comienza a oscilar. A medida que transcurre el tiempo, cada punto alcanzado por la perturbación, oscila entre una amplitud máxima, digamos A y una mínima (-A). La frecuencia de la oscilación es el número de máximos o crestas en un punto fijo cualquiera por segundo. Si durante un segundo contamos 5 crestas, diremos que la frecuencia, que se mide en Hertz o inversa de segundo, es de 5 Hz. por ende la onda tendrá una frecuencia de 5 Hz. La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas ya que λ x f= v, donde v representa la velocidad de propagación de la onda en el medio. Si se trata de una onda electromagnética viajando en el vacío esta velocidad es c, es decir la velocidad de la luz.
Propagación de la onda
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En la figura se observan distintas instantáneas, (la forma que toma la onda para diferentes instantes de tiempo) de una onda viajera transversal que se propaga hacia la derecha con velocidad v. Este tipo de onda, como se mencionó, se puede generar al someter a vibración una cuerda tensa. La función matemática que describe la onda depende del tiempo t, (medido en segundos), y de la posición x (que por ej. medimos en metros). Para representarla fijamos, ó bien el tiempo, ó la posición. Si fijamos el tiempo (tomamos una foto) podemos ver la forma de la onda en función de la distancia. En la figura se indica mediante distintos trazos la evolución de la onda para los distintos tiempos. Por ejemplo, para ver como se mueve el primer máximo, podemos seguir la secuencia de los 4 puntos anaranjados horizontales, indicados en la figura. O si queremos ver como se mueve un punto particular de la cuerda, una vez que fue alcanzado por la onda, nos paramos a una distancia fija, tomando como referencia, por ejemplo, el extremo izquierdo de la cuerda. En la figura se indica, por medio de los 4 puntos amarillos verticales, como se mueve una pequeña porción de la cuerda para distintos tiempos: t=0 seg, indica el instante donde comenzó a registrarse el movimiento (en la figura corresponde al punto más alto), luego t= 1 seg, 2 seg., etc., así vemos que este punto en particular se desplaza hacia abajo a medida que transcurre el tiempo. Es decir ejecuta un movimiento transversal a la dirección de propagación de la onda.
Superposición de ondas: Interferencia
La superposición de dos o más ondas da lugar al fenómeno de interferencia. Este fenómeno puede producir, dependiendo de la relación entre la amplitud y las fases de las ondas que se superponen, una intensificación o una atenuación de la perturbación. En el primer caso se habla de interferencia constructiva, ya que las ondas al combinarse refuerzan su efecto. Cuando las ondas están en fase el efecto es máximo, y se dice que la interferencia es perfectamente constructiva. Vemos en las figuras 1, 2 y 3 ejemplos de este efecto.
En las figuras 1 y 2 vemos dos ondas viajeras. Estas ondas viajan a lo largo de una cuerda tensa y ambas poseen idéntica amplitud y fase, si ambas se hacen pasar en forma simultánea por la cuerda, se superponen sus efectos (las ondas se suman) y se genera una onda resultante cuya amplitud es el doble de la de cada una de ellas, y que tiene la misma fase que las anteriores, como se ve en la figura 3. Este fenómeno se denomina interferencia completamente constructiva.
Si las ondas no están en fase al superponerlas se atenúa el efecto, siendo esta atenuación, también de diferentes grados. Si las ondas tienen fase opuestas pero diferente amplitud la atenuación no llega a ser completa. La atenuación completa se produce cuando, además de tener fases opuestas, las ondas que se superponen poseen igual amplitud, dando lugar a una interferencia destructiva completa.
En la figuras ambas ondas 1 y 4 viajan en el mismo sentido, poseen la misma amplitud, pero sus fases son opuestas. Al superponerse el efecto final dará una perturbación nula ( figura 5). La cuerda no muestra ninguna oscilación. Este fenómeno se denomina interferencia completamente destructiva.
Ondas estacionarias
La superposición de dos o más ondas origina, para ciertas frecuencias de esas ondas, otro tipo de efecto, la formación de ondas estacionarias. Estas ondas se forman en medios de dimensiones finitas, tal como es el caso de una cuerda tensa, sujeta por ambos extremos, y surge debido a la superposición de dos ondas de la misma frecuencia que se propagan en sentido contrario. Estas ondas estacionarias se pueden formar sólo cuando se perturba al medio con determinadas frecuencias. En el caso de una cuerda tensa de longitud fija, tal como la cuerda de una guitarra, las ondas estacionarias pueden formarse sólo para ciertos valores de la frecuencia, que dependen tanto de la longitud de la cuerda como de la velocidad de propagación de la onda a lo largo de la cuerda. En la primer figura se observa una cuerda tensa sin perturbar. Se propaga una onda sobre la cuerda de iaquierda a derecha. Cuando la onda llega al extremo fijo se refleja invirtiendo su fase. Si la perturbación continúa, se superponen entonces dos trenes de ondas de la misma frecuencia pero que viajan en sentidos contrarios. Para ciertas frecuencias de estas ondas, ocurre que al superponerse dan lugar a la formación de una onda estacionaria. Se denomina así, dado que la forma de la misma para cada frecuencia particular no cambia, a diferencia de lo que ocurre con una onda viajera. En las figuras 1 y 2 vemos las ondas estacionarias correspondientes a dos frecuencias diferentes, como las que que se forman en las cuerdas de una guitarra.
Para una velocidad fija, cuanto mayor sea la longitud de la cuerda, menor será la frecuencia de un cierto modo vibratorio (y por lo tanto más grave será el sonido generado). En cambio para una longitud de cuerda fija, cuando mayor sea la velocidad, mayor será la frecuencia del modo.
La velocidad de propagación en una cuerda tensa depende de la tensión de la cuerda y de la densidad de la misma: A mayor densidad menor es la velocidad, mientras que a mayor tensión, mayor es la velocidad.
Se muestran en los videos siguientes ondas estacionarias en una cuerda, en una placa cuadrada y en una
placa rendonda.
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