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Características de las ondas
Antes de entrar en las características de las ondas, tenemos que saber a qué llamamos onda en física.
Una onda es una forma de energía que viaja progresivamente de un punto a otro de un medio.
Debes recordar siempre que una onda transporta energía de un lugar a otro, pero no transporta materia, aunque lo parezca.
Fig 1 - Las olas que rompen en el océano son un ejemplo del movimiento de las olas
Propiedades de una onda
Las ondas tienen las siguientes propiedades:
- Cuando una onda viaja en un medio, las partículas del medio no se desplazan de un lugar a otro. Sólo vibran a lo largo de sus posiciones de equilibrio.
- Cada partícula del medio muestra un movimiento similar al de la partícula anterior.
- Durante el movimiento ondulatorio, sólo se transfiere energía.
Las ondas son de dos tipos: longitudinales y transversales.
Ondas longitudinales
Veamos qué son exactamente las ondas longitudinales.
Las ondaslongitudinales o de compresión son aquellas en las que una magnitud oscila en la misma dirección del movimiento de la onda.
La cantidad que oscila en una onda puede ser, por ejemplo, presión, campos eléctricos o magnéticos, etc.
Las ondas longitudinales suelen producirse cuando las partículas vibran en un medio. ¡Una onda sonora es un ejemplo perfecto de onda longitudinal! La velocidad de propagación de las ondas sonoras depende de la composición y la temperatura del medio.
Ondas transversales
Veamos ahora qué son las ondas transversales.
Lasondas transversales son aquellas en las que una magnitud oscila perpendicularmente a la dirección del movimiento de la onda.
Las ondulaciones en la superficie del agua, las ondas secundarias de un terremoto y las ondas electromagnéticas, como la luz, son ejemplos de ondas transversales.
Las ondas tienen tres características principales: longitud de onda, amplitud y periodo de tiempo. Conozcamos mejor cada una de ellas.
Características de longitud de onda de las ondas
A continuación profundizaremos en las características de longitud de onda de una onda.
La longitud de onda es la distancia entre dos puntos equivalentes de una onda.
Normalmente, en las ondas transversales, la longitud de onda se mide entre dos crestas o dos valles, y del mismo modo, en las ondas longitudinales, se mide entre dos compresiones o rarefacciones sucesivas.
Fig 2 - Características de la longitud de onda de una onda que define dos crestas o dos depresiones consecutivas.
La compresión es una región de la onda longitudinal en la que las partículas están lo más cerca posible unas de otras, mientras que la llamamos rarefacción si las partículas están lo más lejos.
La longitud de onda suele venir dada por la letra griega lambda, \( \lambda \). Podemos calcular la longitud de onda si conocemos la velocidad y la frecuencia de la onda mediante la siguiente ecuación
\[ \lambda = \frac{v}{f},\]donde \(\lambda\) se mide en metros \( \mathrm{(m)}\}), la velocidad, \(v\), en metros por segundo \( \mathrm(m/s)}\}, y frecuencia, \(f\), en inversa de segundos \( \mathrm{(s^{-1})}\), comúnmente denominada hercios \( \mathrm{Hz}\).
La velocidad de las ondas, \(v\), se define como la distancia recorrida por una onda en un periodo determinado, mientras que la frecuencia, \(f\), describe el número de ondas que pasan por un lugar fijo en esa cantidad de tiempo.
En el caso de la luz, la longitud de onda se utiliza para determinar su color. La longitud de onda de la luz visible oscila entre aproximadamente \( 650\;\mathrm{nm}) y \( 400\;\mathrm{nm}), que percibimos como rojo y violeta, respectivamente. Por otra parte, la longitud de onda de una onda sonora determina su tono.
Características de amplitud de las ondas
Analicemos qué es exactamente la amplitud de una onda y veamos algunos ejemplos.
La amplitud de una onda es el desplazamiento máximo de una oscilación desde su posición de reposo o equilibrio.
La ecuación del desplazamiento de una onda respecto a su posición de equilibrio depende de la amplitud de la onda.
\[y=Sin(\omega * t + \Phi)\]
En la ecuación anterior \(y\) es el desplazamiento de la onda en metros \( \mathrm{(m)} \), \(A\) es la amplitud de la onda en metros \(\mathrm{(m)} \), \es la frecuencia angular de la onda expresada en \frac{\mathrm{rad}{s}), \( t \) es el periodo de tiempo en segundos \(\mathrm{(s)} \), y \(\Phi\) es una constante llamada diferencia de fase.
La diferencia de fase es la diferencia de trayectoria entre las dos ondas.
El desplazamiento es una cantidad vectorial definida como el cambio de posición de una partícula. En el próximo apartado aprenderemos más en detalle el periodo de una onda.
Sonido ondulante del agua producido en los lagos
Cuando observas a alguien lanzar una piedra a una masa de agua, puedes oír un sonido y observar un patrón circular que se forma alrededor del punto de impacto. ¡Ambas cosas son ondas! Medimos la amplitud de la onda de agua desde el punto más alto de la onda hasta el nivel del agua. En el caso de la onda sonora, decimos que un sonido bajo tiene una amplitud pequeña, mientras que un sonido alto tiene una amplitud alta.
Escuchar con auriculares
Cuando escuchamos música con los auriculares, subimos o bajamos constantemente el volumen. Cuando cambiamos el volumen, significa que estamos cambiando la amplitud de la onda, lo que da lugar a un sonido alto o bajo.
Características del periodo delas on das
La última característica de las ondas que debemos revisar es el periodo de una onda.
El periodo es el tiempo que tarda una onda en completar un ciclo u oscilación completa.
El periodo no debe confundirse con la frecuencia, aunque estén estrechamente relacionados. El periodo se define como un intervalo de tiempo que responde a la pregunta de cuánto dura un acontecimiento. Mientras que la frecuencia se refiere a la frecuencia con la que se produce un acontecimiento y responde a la pregunta de cuántas veces se produce un acontecimiento en un tiempo determinado.
Matemáticamente, el periodo es la inversa de la frecuencia, y se puede expresar de la siguiente manera
\[ t = \frac{1}{f}, \]donde el periodo, \(T,\) se mide en segundos( \mathrm{(s)} \), y la frecuencia, \( f, \) se mide en inversa del segundo \( \mathrm{(s^{-1})} \), o en hercios \( \mathrm{(Hz)} \).
Ejemplos de características de las ondas
A continuación veremos algunos ejemplos de ondas y hablaremos de sus características.
Ondas luminosas
La luz visible, como cualquier otra onda, es una forma de energía que se propaga desde una fuente. Es una onda electromagnética compuesta por un campo eléctrico y magnético oscilante.
Cuando la luz sale de la fuente, nuestro cerebro representa las ondas interpretando las distintas longitudes de onda como colores diferentes.
La energía de una onda es directamente proporcional a su frecuencia, o lo que es lo mismo, es inversamente proporcional a la longitud de onda. El rango de las longitudes de onda visibles para el ojo humano va desde \( 400;\mathrm{nm}\), que interpretamos como violeta, hasta \(700;\mathrm{nm}\), que conocemos como rojo. Basándonos en sus longitudes de onda, podemos concluir que la luz roja transporta menos energía que la luz violeta. También es interesante observar que las ondas electromagnéticas no necesitan un medio para propagarse; ¡pueden existir en el vacío!
Fig 3 - Ondas luminosas que transmiten energía a nuestro cerebro mientras representa diferentes colores asignados a diferentes longitudes de onda
Ondas sonoras
Las ondas sonoras están formadas por patrones alternos de compresión y rarefacción. Cuando una onda sonora viaja en un medio, la energía de la onda provoca la excitación de las moléculas. Así, cuando pasa una onda, una molécula se excita o energiza en el medio hasta que cede su energía a la molécula siguiente y disminuye su movimiento. Entonces, la anterior volverá a adquirir la energía hasta que sea golpeada por alguna molécula de la onda, lo que dará lugar a una compresión y rarefacción alternas.
Las ondas sonoras pierden energía al desplazarse por un medio. Por eso no oímos a una persona que está muy lejos de nosotros en comparación con alguien que está a nuestro lado. En el caso de las ondas sonoras, la energía es proporcional a la amplitud de la onda, que define su volumen. Y el periodo o frecuencia define el tono del sonido.
Fig 4 - Los auriculares utilizan energía para crear ondas sonoras. Aumentar el volumen aumenta la amplitud de las ondas y requiere más energía.
Microondas
Las microondas forman parte de las radiaciones electromagnéticas. Tienen amplias aplicaciones, empezando por las comunicaciones, el radar e incluso en los hogares, como la cocina.
Las microondas se utilizan en pequeños aparatos para procesar señales, en cañones de radar y detectores de movimiento para detectar la velocidad, e incluso en radares meteorológicos para seguir el movimiento de las gotas de agua en la atmósfera. Las microondas también se utilizan en los satélites para observar la Tierra o el espacio.
Otro uso que quizá conozcas es el de calentar alimentos rápidamente o cocinarlos. Los hornos microondas funcionan emitiendo este tipo de ondas que hacen vibrar las moléculas de los alimentos, aumentando su energía y temperatura. Como son ondas electromagnéticas como la luz, se propagan a la misma velocidad y su energía depende de su frecuencia.
Fig 5 - Un horno microondas calienta los alimentos emitiendo ondas que hacen vibrar las moléculas de los alimentos, aumentando su energía y temperatura
Características de las olas - Puntos clave
Una onda es una perturbación que se propaga y transporta energía.
Longitudinales y transversales son los dos tipos principales de ondas: unas se propagan longitudinalmente y las otras perpendicularmente a su movimiento ondulatorio.
La longitud de onda es la distancia entre dos puntos equivalentes de una onda.
La amplitud es el desplazamiento o distancia máxima que se desplaza un punto de una onda medido desde su posición de equilibrio.
El periodo de una onda se define como el tiempo que tarda una partícula en un medio en realizar un ciclo completo.
El sonido, la luz visible y las microondas son ejemplos de ondas. La característica de la onda determina propiedades distintas en cada uno de estos casos, por ejemplo, en el sonido, la amplitud determina el volumen y la frecuencia determina el tono. En la luz, la longitud de onda determina el color que percibimos y también su energía.
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