Tipos de Ondas

Según el medio de propagación:

• Mecánicas: necesitan de un medio para su propagación. Se da un transporte de energía mecánica. Ejemplo: el sonido.
• Electromagnéticas: no necesitan un medio para propagarse, pudiendo hacerlo en el vacío. Se da un transporte de energía electromagnética. Ejemplo: la luz, ondas de radio.

Dirección de propagación:

• Transversales: las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Ejemplo de una onda en una cuerda.
• Longitudinales: las partículas vibran en la misma dirección de la propagación.

Número de dimensiones en que se propaga energía:

• Unidimensionales: se propaga a lo largo de una línea. Ejemplo: onda en una cuerda.
• Bidimensionales: se da un transporte de energía en una superficie plana. Ejemplo: el impacto en la superficie de un líquido.
• Tridimensional: se transporta en las tres direcciones del espacio. Ejemplo: el sonido.

Magnitudes Características

• Longitud de onda (λ): es la distancia que separa dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración. Se mide en metros.
• Periodo (T): tiempo que emplea la perturbación en recorrer una distancia igual a la longitud de onda. Se mide en segundos.
• Frecuencia (f): es el número de longitudes igual a la longitud de onda completadas en un segundo. Se mide en hercios.
• Número de onda (K): es el número de longitudes comprendidas en una longitud de 2π metros.
• Amplitud (A): es la máxima elongación que puede alcanzar la perturbación. Se mide en metros.
• Velocidad de propagación (v): es la velocidad del avance de la onda.

Energía e Intensidad del Movimiento Ondulatorio

Se observa que todas las ondas van perdiendo intensidad de energía según avanzan debido a dos factores:

• Atenuación: consideramos dos puntos 1 y 2 separados del foco por distancias respectivas de R1 y R2 siendo R2 mayor que R1.
• Absorción: las ondas también pueden perder intensidad en su avance debido a diversos factores que no podemos controlar: rozamiento, viscosidad… Todos se engloban en el término de absorción de ondas.

Fenómenos Ondulatorios

Principio de Huygens:

• Frente de ondas: se define como la superficie formada por todos los puntos que son alcanzados por una onda al mismo tiempo, y que se encuentran en el mismo estado de vibración.
• Según dicho principio cada punto de un frente de ondas se comporta como un foco emisor de ondas secundarias cuya envolvente constituye el nuevo frente de ondas.
• Las líneas perpendiculares al frente de ondas en cada punto se llaman rayos.

La Refracción:

Consiste en el cambio de dirección de propagación al pasar la onda de un medio a otro diferente. Las leyes de la refracción son:

• La onda incidente, la normal y la onda refractada están en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia y el ángulo de refracción guardan la siguiente relación: Sen i/ Sen r = v1/v2. Si v1 > v2 → i > r → La onda incidente se acerca a la normal. Si v1 < v2 → i < r → La onda refractada se aleja de la normal.

La Reflexión:

Consiste en el cambio de la dirección de propagación al incidir la onda en el límite de separación de dos medios diferentes, desde la reflexión, la onda continua su propagación en el mismo medio. Las leyes de la reflexión son:

• La onda incidente, la onda reflejada y la normal están contenidas en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia es igual al ángulo de refracción i=r.

La Difracción:

Se produce cuando la onda se encuentra con un obstáculo cuyo tamaño es del mismo orden de magnitud que su longitud de onda. Es el fenómeno en virtud del cual un sistema de ondas que atraviesa un orificio pequeño se propaga en todas las direcciones detrás de dicho orificio.

El Efecto Doppler:

Es un fenómeno ondulatorio que se produce cuando hay un movimiento relativo entre un foco emisor de ondas y un observador. La frecuencia percibida por el observador es distinta de la frecuencia emitida por el foco. Se comprueba que, si se acercan, la frecuencia que recibe el observador es mayor que la frecuencia con la que emite el foco. Y ocurre lo contrario si se alejan.

Las Interferencias:

Es el encuentro de dos o más ondas cuyas acciones se suman, dando origen en los puntos de coincidencia a una nueva onda. Esto quiere decir que cada punto recibe una perturbación que es la suma vectorial de las originadas por cada onda aislada. Un caso particular de interferencia son las ondas estacionarias. Este fenómeno se estudiará al tratar el principio de superposición.

Ondas Electromagnéticas

Características:

• Las ondas electromagnéticas son siempre transversales y se producen debido a cargas eléctricas aceleradas.
• Siempre se propagan a la velocidad de la luz.
• Pueden propagarse incluso en el vacío.
• Un campo eléctrico variable produce un campo magnético variable, este a su vez origina un campo eléctrico, y así ambos se propagan en el espacio.
• Los vectores E y B varían sinusoidalmente con el tiempo y la posición, con la ecuación de ondas armónicas.
• Este tipo de ondas también se reflejan, refractan y presentan fenómenos de difracción.

El espectro electromagnético es la secuencia de todas las ondas electromagnéticas conocidas, ordenadas según su longitud de onda o su frecuencia.

Características de la Radiación

• Ondas de radio: Son las que tienen mayor longitud de onda y menor frecuencia. Por lo que son las menos energéticas. (estación de radio, televisión).
• Microondas: El rango de frecuencias de microondas coincide con las frecuencias de vibración de las moléculas de agua, lo que permite su uso en cocinas para la cocción de alimentos. También se emplean en las comunicaciones con vehículos espaciales.
• Infrarrojo: Son emitidas por cuerpos calientes. La mitad de la energía irradiada por el Sol son rayos infrarrojos. (equipos de visión nocturna).
• Visible: Es la que nuestros ojos son capaces de ver. Es lo que conocemos vulgarmente como luz. Es la región más estrecha del espectro. Se subdivide en los colores del arco iris: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta.
• Ultravioleta: Son radiaciones más allá del violeta. Su energía es suficiente para romper enlaces químicos o producir ionizaciones. Es el responsable del tono moreno de nuestra piel al tomar el Sol. (camillas de bronceado).
• Rayos X: Son útiles para determinar las disposiciones atómicas en un cristal por el método de difracción de rayos X, y también en las radiografías. Tienen mucha energía y son muy peligrosos.
• Rayos γ: Son peligrosos para cualquier forma de vida. Se ha encontrado utilidad en radioterapia para combatir células cancerosas. Se producen en las reacciones nucleares y solo son absorbidos por el plomo o el hormigón a partir de cierto grosor.

Teoría de Einstein

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones con cierta energía cinética al incidir la luz de una determinada frecuencia sobre una superficie metálica. Para explicarlo, Einstein propone que la luz está formada por un haz de pequeños corpúsculos, que llamó fotones. La energía de un fotón viene dada por: E=h*f; h=6,626.10-34 J*s.

Naturaleza dual (teoría actual): se sostiene que la luz tiene una doble naturaleza, corpuscular y ondulatoria. Se propaga mediante ondas electromagnéticas y presenta fenómenos típicamente ondulatorios, pero en su interacción con la materia en ciertos fenómenos de intercambio de energía tiene carácter corpuscular.

Reflexión: es el fenómeno por el cual el rayo incidente sigue propagándose por el medio de incidencia. Es el cambio de dirección con que se propaga la luz cuando interacciona con la superficie de separación entre dos medios, permaneciendo en el medio de incidencia. Según la ley de la reflexión, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción: es la desviación que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando pasa de un medio a otro en el que su velocidad es distinta. La ley de Snell establece que cuando la luz pasa de un medio de índice de refracción n1 a otro medio de índice n2, los ángulos de incidencia αi y de refracción αr cumplen la relación: n1.senαi = n2.senαr.

Reflexión total: analizando la ley de la refracción, se deduce que un rayo de luz se acerca a la normal cuando pasa de un medio a otro con índice de refracción mayor, y que el rayo se aleja de la normal cuando pasa de un medio de mayor índice de refracción a otro de menor. Si aumentamos el ángulo de incidencia, llega un momento en el que el ángulo de refracción se hace 90º, lo que significa que desaparece el rayo refractado. En ese caso, la luz comienza a reflejarse íntegramente, y este fenómeno se denomina reflexión total. El ángulo límite es un ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90º. Se obtiene cuando la onda pasa de un medio a otro con menor índice de refracción.