Introducción
En
física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de
alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo
eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio. El medio
perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo
de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.
Una
onda transporta energía y
cantidad de movimiento pero no transporta materia: las partículas
vibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la
perturbación.
La
perturbación se transmite en
todas las direcciones por las que se extiende el medio que rodea al
foco con una velocidad constante en todas las direcciones, siempre
que el medio sea isótropo ( de iguales características físico-
químicas en todas las direcciones ).
Elementos
de una onda
Cresta:
La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la
onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de
reposo.
Período(T):
El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima
amplitud al siguiente.
Amplitud(A):
La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto
medio de la onda.
Frecuencia(f):
Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de
tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por
un período determinado.
T
= 1/f
Valle:
Es el punto más bajo de una onda.
Longitud
de onda(λ): Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos
ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas
consecutivas.
Nodo:
es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.
Elongación(x):
es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la
onda y la línea de equilibrio.
Ciclo:
es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.
Velocidad
de propagación(v): es la velocidad a la que se propaga el movimiento
ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su
período.
v
= λ/T
Clasificación
en función del medio en el que se propagan
Ondas
mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico
(sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del
medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe
transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de
una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se
desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella.
La
velocidad puede ser afectada por algunas características del medio
como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura.
Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las
ondas sonoras,..
Ondas
electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el
espacio sin necesidad de un medio, por lo tanto puede propagarse en
el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son
producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación
con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan
aproximadamente a una velocidad de 300 000 km por segundo, de acuerdo
a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia.
La
onda electromagnética se puede ordenar en un espectro que se
extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda
pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas). La
luz visible es sólo una pequeña parte del espectro
electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o creciente
de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto
por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta,
luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio. Los
rayos gamma y los rayos X duros tienen una Longitud de onda de entre
0,005 y 0,5 nanómetros (un nanómetro, o nm, es una millonésima de
milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación
ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. La región
ultravioleta, a su vez, da paso a la luz visible, que va
aproximadamente desde 400 hasta 800 nm. Los rayos infrarrojos o
‘radiación de calor’ (véase Transferencia de calor) se solapan
con las frecuencias de radio de microondas, entre los 100.000 y
400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 m, el
espectro está ocupado por las diferentes ondas de radio; más allá
de la zona de radio, el espectro entra en las bajas frecuencias,
cuyas longitudes de onda llegan a medirse en decenas de miles de
kilómetros.
Ondas
gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que
alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común
representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos
afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas
son alteraciones del espacio-tiempo.
Hasta
ahora no ha sido posible detectar ondas gravitacionales, aunque sí
existen evidencias indirectas de ellas, como el decaimiento del
periodo orbital observado en un púlsar binario. Actualmente existen
grandes proyectos de observatorios interferométricos que deberían
ser capaces de detectar ondas gravitacionales producidas en fenómenos
cataclísmicos como la explosión de una supernova cercana o una
radiación de fondo gravitacional remanente del Big Bang. La
detección de ondas gravitacionales constituiría una nueva e
importante validación de la teoría de la relatividad general.
Clasificación en
función de su dirección
Ondas
unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se
propagan a lo largo de una sola dimensión del espacio, como las
ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una
dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.
Ondas
bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos
dimensiones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de
una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales.
Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida
en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella.
Ondas
tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres
dimensiones. Las ondas tridimensionales se conocen también como
ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas
concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose
en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas
tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas
electromagnéticas.
Fenómemos relacionados con las ondas
Reflexión
Se
produce cuando una onda encuentra en su recorrido una superficie
contra la cual rebota, después de la reflexión la onda sigue
propagándose en el mismo medio y los parámetros permanecen
inalterados. El eco es un ejemplo de Reflexión.
El
tamaño del obstáculo y la longitud de onda determinan si una onda
rodea el obstáculo o se refleja en la dirección de la que provenía.
Si
el obstáculo es pequeño en relación con la longitud de onda, el
sonido lo rodeara (difracción), en cambio, si sucede lo contrario,
el sonido se refleja (reflexión).
Si
la onda se refleja, el ángulo de la onda reflejada es igual al
ángulo de la onda incidente, de modo que si una onda sonora incide
perpendicularmente sobre la superficie reflejante, vuelve sobre sí
misma.
La
reflexión no actúa igual sobre las altas frecuencias que sobre las
bajas. La longitud de onda de las bajas frecuencias es muy grande
(pueden alcanzar los 18 metros), por lo que son capaces de rodear la
mayoría de obstáculos; en cambio las altas frecuencias no rodean
los obstáculos por lo que se producen sombras detrás de ellos y
rebotes en su parte delantera.
Refracción
Es
el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio
material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente
sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos
tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina
en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de
refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la
onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas
electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate.
Se
produce cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro con una
densidad óptica diferente, sufriendo un cambio de rapidez y un
cambio de dirección si no incide perpendicularmente en la
superficie. Esta desviación en la dirección de propagación se
explica por medio de la ley de Snell. Esta ley, así como la
refracción en medios no homogéneos, son consecuencia del principio
de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos
siguiendo la trayectoria de recorrido óptico de menor tiempo.
Interferencia
Cuando
en una región del espacio inciden dos o mas ondas, los
desplazamientos que producen sobre una partícula del medio se suman
algebraicamente. Esto se llama interferencia.
En
la actualidad, la correcta utilización de las ondas nos ha traído
diversos beneficios según el tipo de onda. Por ejemplo:
Ondas
Radio
El
uso más habitual de las ondas de radio con efecto terapéutico se
lleva a cabo mediante el uso de corrientes alternas de frecuencia
superior a los 100 KHz. En la actualidad, las ondas de radio se
emplean sobre todo en el tratamiento denominado onda corta. Aparte de
su efecto térmico, la onda corta posee otros efectos como son el
aumento de la circulación (hiperemia), aumento leucocitario pasajero
y acción analgésica y antiinflamatoria.
Microondas
Las
ondas microondas tienen muchas aplicaciones. Una de ellas es la de
los hornos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación
electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo
que hay una transferencia de calor muy grande a los alimentos en poco
tiempo.
Las
comunicaciones y el radar son otras dos aplicaciones de las
microondas.
Infrarrojos
Los
rayos infrarrojos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana:
cuando encendemos el televisor y cambiamos de canal con nuestro mando
a distancia; en el supermercado, nuestros productos se identifican
con la lectura de los códigos de barras; vemos y escuchamos los
discos compactos... todo, gracias a los infrarrojos. Estas son sólo
algunas de las aplicaciones más simples, ya que se utilizan también
en sistemas de seguridad, estudios oceánicos, medicina, etc
Rayos
X
Los
rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación
científica, la industria y la medicina.
El
estudio de los rayos X ha desempeñado un papel primordial en la
física teórica, sobre todo en el desarrollo de la mecánica
cuántica. Como herramienta de investigación, los rayos X han
permitido confirmar experimentalmente las teorías cristalográficas.
Utilizando métodos de difracción de rayos X es posible identificar
las sustancias cristalinas y determinar su estructura.
Existen
además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la
identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de
contrabando en las aduanas; también se utilizan en los aeropuertos
para detectar objetos peligrosos en los equipajes. Los rayos X
ultrablandos se emplean para determinar la autenticidad de obras de
arte y para restaurar cuadros.
En
la radioterapia se emplean rayos X para tratar determinadas
enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores a la
radiación.
La
ecografía,
ultrasonografía o ecosonografía es un procedimiento de
imagenología que emplea los ecos de una emisión de ultrasonidos
dirigida sobre un cuerpo u objeto como fuente de datos para formar
una imagen de los órganos o masas internas con fines de diagnóstico.
Un pequeño instrumento "similar a un micrófono" llamado
transductor emite ondas de ultrasonidos. Estas ondas sonoras de alta
frecuencia se transmiten hacia el área del cuerpo bajo estudio, y se
recibe su eco. El transductor recoge el eco de las ondas sonoras y
una computadora convierte este eco en una imagen que aparece en
la pantalla.
Experimentos
