Movimiento Ondulatorio: Concepto de Onda

Una onda es una forma de transmisión de energía de un punto a otro del espacio sin que exista transporte neto de materia. Se basa en la perturbación espacial y temporal que, de forma reversible, experimenta un medio de propagación. La expresión matemática que recoge cómo se desplaza espacial y temporalmente por el medio de propagación la perturbación generada en el foco emisor se denomina ecuación de ondas o simplemente onda.

Pulso de Onda y Tren de Ondas

Un pulso es una perturbación individual que se propaga por el medio de tal manera que una vez afectada una partícula en reposo del medio por el pulso, ésta vuelve a su estado de reposo inicial. Un tren de ondas es un conjunto de pulsos de tal manera que son muchos los puntos alcanzados los cuales oscilan respecto a su posición de equilibrio. Cuando el pulso es continuo se habla de tren de ondas o simplemente onda viajera.

Diferencias entre Ondas Mecánicas y Ondas Electromagnéticas

Las ondas mecánicas son aquellas que trasportan energía mecánica y necesitan de un medio material para propagarse; un ejemplo es el sonido o una onda trasmitida en una cuerda. Las ondas electromagnéticas transportan energía electromagnética producida por cargas eléctricas aceleradas y no necesitan medio material para propagarse, más aun, se propagan mejor en el vacío. Un ejemplo de este tipo de ondas es la luz.

Diferencia entre Onda Transversal y Onda Longitudinal

Una onda es longitudinal si la dirección de propagación de la onda coincide con la dirección de vibración de las partículas del medio alcanzadas por la onda; un ejemplo de este tipo de ondas es el sonido o la perturbación que se produce en un muelle. Una onda es transversal cuando la dirección de propagación de la onda es perpendicular a la dirección de vibración de las partículas del medio alcanzadas por la perturbación; por ejemplo las ondas que se propagan por una cuerda tensa o la luz.

Ondas Unidimensionales, Bidimensionales y Tridimensionales

• En las ondas unidimensionales la energía se propaga en una única dirección, es decir a lo largo de una línea como por ejemplo las ondas que se propagan por una cuerda tensa elástica.
• En las ondas bidimensionales la energía se propaga en dos dimensiones, es decir, en un plano como por ejemplo la perturbación que se propaga en la superficie de un estanque lleno de agua.
• En las ondas tridimensionales la energía se propaga en tres dimensiones, esto es, en el espacio como por ejemplo la luz o el sonido.

Ondas Armónicas

Se denominan ondas armónicas a aquellas cuyas variaciones espacial y temporal se representan mediante una función seno o coseno y en las que cada punto del medio alcanzado por esta onda realiza un movimiento armónico simple.

Longitud de Onda, Periodo y Frecuencia

• La longitud de onda (λ) es la distancia que existe entre dos puntos consecutivos de la onda que están en fase, esto es, tienen el mismo estado de vibración. Es el periodo espacial de la onda, cada longitud de onda se repite la forma de la onda. Su unidad en el Sistema Internacional es el metro (m).
• Periodo (T) es el tiempo que tarda un punto del medio afectado por la onda en realizar una oscilación completa en torno a su posición de equilibrio. Se mide en segundos (s). Es el periodo temporal de la onda.
• Frecuencia (f) es el número de ondas que pasan por un punto del medio en la unidad de tiempo, esto es, el número de oscilaciones que realiza un punto del medio en torno a su posición de equilibrio en un segundo. Es la inversa del periodo (f = 1/T) y su unidad en el Sistema Internacional es el hercio (Hz). Es una propiedad característica del foco emisor de ondas y no del medio por el que se propaga, por esto la frecuencia no cambia cuando una onda pasa de un medio a otro.

Velocidad de Propagación de la Onda o Velocidad de Fase

La velocidad de propagación (v), también denominada velocidad de onda o velocidad de fase, es la rapidez a la que se propaga la onda. Es constante y depende de las características del medio y no del foco emisor de las ondas. Se relaciona con la frecuencia, periodo y longitud de onda mediante la expresión: v = λ·f = λ/T. Su unidad en el Sistema Internacional es el metro por segundo (m/s).

Fase y Desfase

La fase de un punto del medio alcanzado por la onda nos indica su estado de vibración definido por su elongación y su velocidad, de tal manera que decimos que dos puntos están en fase cuando se mueven en el mismo sentido y sus elongaciones son iguales. La diferencia de fase o desfase entre dos puntos se expresa bien como fracción de onda (desfase de media onda, desfase de un cuarto de onda,…) o en forma angular (desfase de π radianes, desfase de π/2 radianes, etc.)

Función de Onda

Si consideramos una onda armónica transversal que se propaga con velocidad constante en una sola dimensión (el eje x) provocada por la perturbación periódica originada en el foco y si además consideramos que no hay pérdida de energía en la propagación, la ecuación que nos indica el estado de vibración instantáneo de cada punto del medio por el que se propaga la onda se denomina función de onda o ecuación de la onda.

Doble Periodicidad de la Función de Onda

Todas las ondas armónicas unidimensionales (las que usaremos en este curso) son doblemente periódicas; son periódicas en el tiempo y en el espacio.

• Una onda armónica es periódica en el tiempo porque el valor de la elongación de cualquier partícula del medio toma el mismo valor cada periodo T, esto es, y(x, t) = y(x, t + n·T). T es el periodo temporal de la onda.
• Una onda armónica es periódica en el espacio porque en cualquier instante coincide el valor de la elongación de todas las partículas del medio situadas en las posiciones x, x+λ, x +2λ, …

Concordancia y Oposición de Fase

Dos puntos están en fase o en concordancia de fase cuando en cualquier instante tienen el mismo estado de vibración. Estarán en oposición de fase si sus estados de vibración son opuestos. Así, el estado de vibración de una partícula para tiempos que difieren en un número entero de periodos está en fase: t₂ – t₁ = n·T y estarán en oposición de fase cuando trascurra un tiempo igual a : t₂ – t₁ = (2n + 1)·T/2

Energía e Intensidad de una Onda

• La energía mecánica (E_m) que transporta una onda coincide con la energía mecánica de la partícula afectada por ella, esto es, E_m = 2π²mf²A² (su unidad es el julio).
• La intensidad (I) de una onda es la energía que se propaga por unidad de tiempo a través de la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda: I = E/S.t (su unidad es el vatio/metro cuadrado, W/m²)

Una onda cuando se propaga disminuye su intensidad debido a dos factores:

1. Atenuación: La energía se reparte cada vez a más puntos del medio y como consecuencia los puntos alejados del foco vibran menos.
2. Absorción: La onda disminuye su energía al atravesar el medio debido al rozamiento en el movimiento de las partículas.

¿Qué es el Sonido?

Es una onda mecánica longitudinal originada por la propagación en un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) del movimiento vibratorio de un determinado objeto. Este movimiento vibratorio produce zonas de compresión del medio (zonas de alta presión) y zonas de dilatación (zonas de baja presión). Como consecuencia de las sucesivas compresiones y dilataciones cada zona del medio trasmite su vibración a las zonas contiguas generándose una onda de presión (sonido) que se propaga en todas las direcciones del espacio.

Cualidades del Sonido

• Intensidad: La intensidad del sonido es la energía que trasporta a través de la unidad de superficie en cada unidad de tiempo. Se asocia directamente a la amplitud de la onda sonora (más amplitud implica que el sonido trasporta más intensidad).
• Tono: Es la cualidad que nos permite distinguir dos sonidos por la frecuencia de su vibración. Un sonido con frecuencia alta es un sonido agudo y con frecuencia baja es un sonido grave.
• Timbre: Es la cualidad que nos permite distinguir dos sonidos de igual intensidad y del mismo tono procedentes de dos fuentes sonoras distintas, está relacionado con la forma de la onda.