Aplicaciones de las Ondas

Aplicaciones del movimiento ondulatorio

Las ondas de agua parecen el tipo de ondas más obvio y fácil de identificar. El movimiento de las olas es periódico y a veces tranquilo, pero en el caso de un tsunami, esas olas pueden llegar a ser destructivas. Una de las aplicaciones más sencillas de las olas consiste en aprovechar la energía que transportan las olas de agua cuando se mueven. La energía mareomotriz es la energía generada por la velocidad del flujo del agua del mar. Las centrales mareomotrices se construyen en el océano para captar las mareas cuando entran y salen. La energía cinética del agua puede utilizarse para generar energía eléctrica. La cantidad de energía generada actualmente por la energía mareomotriz no es significativa, pero se puede hacer, lo que en sí mismo es notable.

Aplicaciones de las ondas sonoras

Las ondas sonoraspueden generarse en gases, como el aire, pero también en líquidos y sólidos. Las ondas sonoras son ondas longitudinales, lo que significa que las partículas de aire vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda.

Aplicaciones de las ondas sonoras: El oído

El uso más común y probablemente más importante de las ondas sonoras es la comunicación verbal cotidiana. Cuando hablamos, el movimiento de las distintas partes de la boca provoca vibraciones en el aire que la rodea. Estas vibraciones se propagan por el aire perturbando a las moléculas de aire vecinas. Esta cadena propagadora de perturbaciones continúa hasta que la onda sonora alcanza su objetivo, que suele ser el oído de la persona a la que hablamos. Las ondas sonoras están formadas por zonas en las que las moléculas de aire se aplastan unas contra otras, lo que se denomina compresiones. Las zonas en las que las moléculas de aire están más separadas se llaman rarefacciones. La figura siguiente muestra las zonas de compresión y rarefacción en una onda sonora típica.

Una onda sonora que se desplaza de la fuente al oído. Las zonas oscuras tienen más moléculas de aire vibrando (compresiones), mientras que las zonas claras tienen menos (rarefacciones), Wikimedia Commons CC 1.0

Los límites de frecuencia del rango auditivo humano son$20\mathrm{Hz}$a$20\mathrm{kHz}$. Cualquier sonido con una frecuencia inferior a$20\mathrm{Hz}$o superior a$20\mathrm{kHz}$no puede ser detectado por el ser humano. Esta gama de frecuencias se conoce como espectro audible.

Aplicaciones de las ondas sonoras: Sonar

Las ondas sonoras pueden utilizarse para la comunicación, la música y otras aplicaciones que dependen de que el sonido viaje a través del aire. El sonido también puede viajar a través de líquidos y sólidos. El sonido viaja más rápido por el agua que por el aire, y también recorre mayores distancias en el agua que en el aire. Este hecho es uno de los factores que dieron origen al concepto de sonar. Sonar es un acrónimo de "sound navigation and ranging". Consiste en el uso de ondas sonoras en el agua para detectar obstáculos submarinos, como minas marinas, y objetos ocultos bajo la superficie del océano, por ejemplo, submarinos.

Las ondas sonoras que viajan a través del agua sufren una importante propiedad del movimiento ondulatorio cuando encuentran un obstáculo: la reflexión. Una fuente de sonido o emisor emite una onda sonora que viaja hacia el exterior, choca con un objeto, se refleja y vuelve hacia el emisor. Entonces se utiliza un receptor para detectar la onda reflejada (eco) y compararla con el perfil de la onda original para asegurarse de que el reflejo es realmente la misma onda. La distancia$r$del objeto, ya que se conoce la velocidad de la onda en el agua. La onda recorre una distancia total de$2r$en el viaje de ida y vuelta al objeto y de vuelta en un tiempo$t$. Como la velocidad del sonido en el agua$v$es constante, la distancia$r$puede hallarse de la siguiente manera

$\begin{array}{lcl}\mathit{2}r& =& vt\\ \mathit{}r& =& \frac{vt}{\mathit{2}}\end{array}$

El principio de funcionamiento del sonar puede verse en el diagrama siguiente. La onda original choca contra la obstrucción, que es el objeto. Luego se refleja hacia el emisor y finalmente es recibida.

Principio de funcionamiento del sonar. Una onda es emitida por un emisor y recibida tras ser reflejada por el objeto. El tiempo que tarda la onda en volver indica la distancia del objeto, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Aplicaciones de las ondas sonoras: Ultrasonidos

Si alguna vez has visto la ecografía de un bebé en una mujer embarazada, habrás visto una imagen que muestra los rasgos del feto. Este es un ejemplo del uso de las ondas ultrasónicas en medicina. Las ondas ultrasónicas utilizan un principio similar al del sonar: la reflexión. Se utiliza un dispositivo llamado transductor para generar y recibir ondas sonoras que tienen una frecuencia cientos de veces superior al límite superior de la audición humana. Las ondas sonoras se reflejan parcialmente en los límites de los distintos tejidos del cuerpo humano. Las ondas reflejadas son recibidas por el transductor, que las transforma en una señal digital que se visualiza como imagen. Los distintos tejidos y estructuras corporales reflejan las ondas en distintas direcciones y con distintas amplitudes. El resultado es una imagen de la estructura de interés (tejido, órgano, etc.) que se produce. La imagen siguiente es un ejemplo de imagen producida por ecografía.

Imagen ecográfica de la vena cava inferior en un ser humano. Se envía un pulso ultrasónico al interior del cuerpo y las variaciones en la intensidad del pulso reflejado se utilizan para crear esta imagen.

Las ondas ultrasónicas de frecuencias más bajas pueden penetrar a mayor profundidad en el tejido, pero el detalle de la imagen resultante es menor. Las ondas ultrasónicas de frecuencias más altas no pueden penetrar tan profundamente, pero proporcionan una imagen con mayor resolución. Podemos determinar la profundidad del límite entre tejidos por debajo de la superficie de la piel, utilizando la ecuación que hicimos para el sonar, es decir

$r=\frac{vt}{2}$

donde$v$es la velocidad de la onda ultrasónica$t$es el tiempo total que tarda la onda en ser emitida y recibida por el transductor y$r$la profundidad del límite del tejido.

Aplicaciones de las ondas de radio

Las ondas de radio son las ondas electromagnéticas del espectro electromagnético con las longitudes de onda más largas de aproximadamente$1\mathrm{km}$. Pueden, por tanto, viajar las distancias más largas de todas las ondas electromagnéticas. Debido a esta capacidad de viajar largas distancias, las ondas de radio se utilizan normalmente para la comunicación y la detección. Hablaremos de dos aplicaciones de las ondas de radio: los teléfonos móviles y el radar. Las ondas de radio contribuyen a la radiación de fondo y, en general, se consideran seguras; sin embargo, la mejor práctica es mantenerse lejos de la fuente de ondas de radio. El símbolo internacional de peligro de las ondas de radio nocivas se muestra en la siguiente figura.

La imagen muestra el símbolo de peligro de las ondas de radio. Generalmente significa que estás cerca de una fuente de ondas de radio y debes permanecer alejado de la zona, Vectores de Dominio Público

Aplicaciones de las ondas de radio: Teléfonos móviles

Las ondas de radio no sólo viajan largas distancias, sino que también son buenas penetrando materiales sólidos, como las paredes. Esto hace que las ondas de radio sean ideales para transportar señales de telefonía móvil. Los teléfonos móviles llevan incorporados receptores y transmisores. Los transmisores funcionan convirtiendo las señales de audio en ondas de radio electromagnéticas. Las ondas de radio recorren largas distancias y se encaminan y retransmiten a través de estaciones y torres de telefonía móvil hasta que llegan al teléfono del destinatario. El receptor descodifica entonces la señal en audio, que se reproduce al destinatario. Otra ventaja de las ondas de radio en esta aplicación es que viajan a la velocidad de las ondas electromagnéticas en el espacio libre, lo que es$c$;$300$¡millones de metros por segundo! Esto significa que la comunicación puede producirse casi instantáneamente con muy poco retraso. La siguiente figura muestra una imagen de una típica torre de telefonía móvil.

Esta imagen es de una típica torre de telefonía móvil que se utiliza para retransmitir ondas de radio del emisor al receptor. Las torres suelen ser altas para que el suelo no absorba la mayor parte de las ondas.

Aplicaciones de las ondas de radio: Radar

Radar es un acrónimo de radiodetección y alcance. El principio del radar es bastante similar al del sonar, pero se utilizan ondas electromagnéticas en lugar de ondas sonoras. Las ondas sonoras no viajan lo suficientemente rápido en el aire como para ser útiles en la detección de obstáculos, por ejemplo, un avión que se aproxima. Por tanto, recurrimos a las ondas del espectro electromagnético, que también pueden sufrir la propiedad de movimiento ondulatorio de reflexión, para detectar objetos que se encuentran en el cielo. Las ondas de radio se transmiten por el aire a través de grandes antenas, se reflejan al chocar con un obstáculo y vuelven por el mismo medio al receptor. Entonces podemos utilizar el tiempo que tarda la onda de radio en regresar para determinar la distancia al objeto. La onda recorre una distancia total de$2r$en el viaje de ida y vuelta al objeto y de vuelta en un tiempo$t$. Como la velocidad de las ondas electromagnéticas$c$en el aire es constante, la distancia$r$puede hallarse de la siguiente manera

$$\begin{gathered} \mathit{2}r\mathit{=}ct \\ \mathit{}\mathit{}r\mathit{=}\frac{\mathit{c}\mathit{t}}{\mathit{2}} \end{gathered}$$

La imagen de abajo muestra una fotografía de una antena de radar que puede enviar ondas electromagnéticas de radio y recibir también las ondas reflejadas. El tamaño del radar es proporcional a la distancia a la que pueden enviarse o recibirse las señales.

Imagen de una antena de radar capaz de enviar una onda de radio y recibir la onda reflejada. El tamaño de la antena es relativamente grande para garantizar que las señales puedan enviarse y recibirse a grandes distancias.

Aplicación de las ondas luminosas

Recordemos que las ondas de luz son ondas electromagnéticas, como las ondas de radio, que se encuentran en la región visible del espectro electromagnético. En pocas palabras, la luz es una onda electromagnética que podemos ver. Quizá pienses que no hay muchas aplicaciones de las ondas luminosas, pero probablemente sea porque nos hemos acostumbrado a tener siempre iluminado nuestro entorno. Pasa una noche sin electricidad y la importancia de la luz se hará de repente más evidente.

Aplicaciones de las ondas luminosas: Fotografía con flash

¿Te has fijado alguna vez en la bolsa de un fotógrafo profesional? Es bastante grande en comparación con el tamaño de la cámara. Una de las piezas más importantes del equipo, que a veces puede ser más grande que la propia cámara, es el flash. El flash de una cámara es un dispositivo que suministra un haz de luz corto e intenso para iluminar la escena en la que se va a tomar una fotografía. La luz blanca producida es lo suficientemente intensa como para iluminar una imagen y permitir que se tome una fotografía más clara y de mayor calidad. Éste es un ejemplo sencillo pero común de la aplicación de las ondas luminosas. La figura siguiente es la de un típico flash de cámara.

Esta imagen muestra un flash blanco brillante que genera una cámara digital moderna. El flash se utiliza para iluminar la escena para un fotógrafo, lo que permite tomar una imagen más clara, Wikimedia Commons