Las ondas, su clasificación y sus características
Considero
importante extenderme algo sobre este tema de las ondas, porque veremos que
conceptos de la mecánica ondulatoria están íntimamente ligados a la física
cuántica. Un autor señala que usar a las ondas ordinarias en formas o maneras
inusuales es el secreto de la teoría cuántica.
Todas las ondas, no importa cuan exóticas sean, están construidas con
un mismo plan y toman sus ordenes del mismo libro, de allí que las ondas cuánticas
seguirán las mismas reglas que las ondas en general. Ahora bien, que conocemos
de las ondas ordinarias. La mayoría
de las personas ha tenido experiencia con las ondas, por ejemplo al arrojar una
piedra en un tanque de agua se forman ondas; si ponemos un corcho veremos que el
mismo se mueve hacia arriba y hacia abajo pero que no se traslada en la dirección
que vemos se trasladan las ondas, como círculos que se abren desde el centro
donde cayó la piedra. Estas ondas acuáticas constituyen un ejemplo de una
amplia variedad de fenómenos físicos que presentan características análogas
a las ondas. El mundo está lleno de ondas: ondas sonoras, mecánicas, tales
como la onda que se propaga en una cuerda de una guitarra, ondas sísmicas que
pueden transformarse en terremotos, ondas de choque que se producen cuando por
ejemplo un avión supera la velocidad del sonido, es como un estampido y otras
ondas más particulares porque no son tan fácilmente captadas con los sentidos
o no es tan sencillo interpretar su origen; son las ondas electromagnéticas.
Entre estas están la luz visible, las ondas de radio, las señales de TV, los
rayos X; muchas de las cuales
permiten el funcionamiento de algunos adminículos por todos conocidos: el
control de canales de TV para hacer zapping, los TE celulares, Direct TV,
internet por aire.
El
concepto de onda es abstracto, aquellas ondas que viajan en un medio material se
denominan ondas mecánicas. Cuando se observa lo que denominamos una onda en el
agua, lo que en realidad se contempla es una nueva disposición de la superficie
del agua, sin la presencia del agua no existiría onda alguna. Si fijamos el
extremo de una cuerda y movemos el otro extremo hacia arriba y hacia abajo,
vemos como a lo largo de la cuerda se mueve una onda. Si no existiera la cuerda
no existiría la onda. Las ondas sonoras viajan por el aire como un resultado de
las variaciones de presión en el aire de punto a punto. En todos los casos, lo
que se interpreta como una onda corresponde a la perturbación de un cuerpo o un
medio. En consecuencia una onda puede considerarse como el movimiento de una
perturbación. El movimiento de la perturbación- el estado del medio o la onda
en sí misma- no debe confundirse con el movimiento de las partículas. En el
caso particular de las ondas mecánicas, estas requieren para su existencia de
una fuente de perturbación (la piedra que arrojo al agua), un medio que pueda
ser perturbado (agua, aire) y alguna conexión física o mecanismo mediante el
cual las porciones adyacentes del medio – las que están en contacto- ejerzan
influencia entre sí. En el caso de las ondas electromagnéticas, durante muchos
años, no se tenía claro cual era el medio que se perturbaba, es así que se
hablaba del éter como medio de transferencia de estas ondas. Hoy en día se
sabe que esto del éter no es así y que las ondas llamadas electromagnéticas,
no necesitan de ningún medio, es decir se pueden propagar a través del espacio
vacío.
El
estudio de las ondas se hace sobre una representación gráfica de la misma que
es la forma de la función senoidal o seno:
y=
f(x)= Asen(x+j),
ya veremos su significado, el cual es bastante simple para aquellos con ciertos
conocimientos de trigonometría. Si bien no todas las ondas siguen esta función,
un teorema muy importante de un matemático llamado Fourier, demostró que: cualquier
onda puede ser descompuesta como una suma única de
ondas componentes senoidales. Este teorema además de facilitar el
estudio profundo de la mecánica ondulatoria, permite también para aquellos que
no queremos profundizar tanto, representarnos gráficamente con facilidad lo que
es una onda, dado que la función seno o senoidal es la que se forma en una
cuerda cuando, movemos sus extremos hacia arriba y abajo repetidamente.
Veamos
ahora algunos conceptos físicos que se utilizan para caracterizar a las ondas:
§
La longitud
de onda (l)
es la distancia entre dos puntos idénticos de la onda, por ejemplo entre dos
crestas consecutivas en el agua (tiene unidades de distancia: mm, cm, m, etc.)
§
La máxima
altura de la onda se denomina amplitud y también se mide en unidades de
distancia.
§
El período
es el tiempo T que tarda la onda en recorrer un ciclo, es decir en volver a la
posición inicial, por ejemplo de una cresta a la cresta siguiente.
§
La
frecuencia es lo que mide el número de veces / ciclos que un punto de la
superficie sube y baja en un segundo (unidades de ciclos o veces por segundo, es
decir unidades de la inversa del tiempo), en otras palabras la frecuencia es la
rapidez con la cual la perturbación se repite por sí misma. La frecuencia es
la inversa del período T; f= 1 / T.
§
La
velocidad de propagación de la
onda. Dado que velocidad es espacio dividido el tiempo en que se recorrió dicho
espacio, en nuestro caso podemos expresarlo como Longitud de onda / Período, y
como la inversa del período (1/T) es la frecuencia, entonces tenemos que: v = l.f. Esta
dependerá de las propiedades del medio que experimenta la perturbación. Por
ejemplo las ondas sonoras se propagan en el aire a una velocidad menor que a
través de los sólidos. Las ondas electromagnéticas que se propagan en el vacío,
es decir que no requieren medio que se perturbe para propagarse, lo hacen una
velocidad muy alta de 300.000 Km. / seg (la velocidad de la luz que se la
denomina c).
§
El ángulo
de fase j, si bien
es más complejo decir que es, es sencillo entender su significado. Cada punto
de una onda posee una fase definida que indica cuanto ha progresado o avanzado
dicho punto a través del ciclo básico de la onda. Escuchamos la idea de fases
de la luna, que indica justamente donde está la luna respecto a su ciclo el
cual se repite siempre (por eso es ciclo). Las fases de las ondas son las que
gobiernan lo que ocurre cuando dos o mas ondas se encuentran. Si dos ondas en el
agua se cruzan, puede ocurrir que cuando una este en la cresta máxima, la otra
este en la mínima, y como consecuencia de esto se aplaca el movimiento en el
lugar de cruce de ambas, es decir el máximo cancela al mínimo. Esta
superposición de ondas se da así porque ambas ondas que se encontraron estaban
fuera de fase, es decir tenían diferentes ángulos de fase, estaban desfasadas.
Es la diferencia de fase entre ondas que se superponen lo que produce el fenómeno
de interferencia, que posteriormente veremos como uno de los primeros problemas
extraños de la física clásica:
la doble naturaleza de la luz onda-partícula.
§
La
polarización. Este concepto explica en qué dirección se desplaza el medio. Así
decimos que si el medio se desplaza perpendicularmente a la dirección de la
onda, tenemos una onda polarizada transversalmente. Tal como se explica en el
caso de ondas transversales, una onda puede tener infinitas polarizaciones, dado
que son infinitos los planos que contienen a la recta que marca la dirección
del movimiento de la onda. El fenómeno de la polarización es el que
comprobamos cuando usamos anteojos negros. Los mismos contienen alguna sustancia
que actúa como filtro, no dejando pasar determinadas direcciones de propagación,
eliminando así los reflejos o el encandilamiento.
Como
decíamos una de las formas más simples de demostrar el movimiento ondulatorio
es al sacudir uno de los extremos de una cuerda larga que está sujeta en el
otro extremo y en tensión. Al hacer esto se observará una protuberancia en la
cuerda, llamada pulso, que viaja hacia el otro extremo con una rapidez definida,
esta se denomina onda viajera, la cuerda es el medio por donde viaja la onda y
se supone que el pulso ondulatorio no cambiará cuando viaja a lo largo de la
cuerda. A medida que el pulso avanza, cada parte de la cuerda que es perturbada
se mueve hacia arriba y hacia abajo, es decir en dirección perpendicular a la
dirección del movimiento de la onda, esta característica es lo que define a
las ondas llamadas transversales: el medio se mueve perpendicularmente a la
dirección de propagación de la onda. Cuando el medio se mueve en dirección
paralela a la de propagación de la onda, estas se denominan ondas
longitudinales, es el caso de las ondas sonoras. Algunas ondas en la naturaleza
son una combinación de ambos tipos.
Todas las ondas transportan energía consigo misma en la dirección de su movimiento, pero no transportan materia. Es decir, la propagación de las ondas es un mecanismo que permite transportar energía entre dos puntos separados en el espacio- que es la capacidad de realizar un trabajo, por ejemplo cambiar de canal en la TV – sin alterar físicamente el material a través del cual se hace el transporte o transmisión. Es esta característica notable pero poco conocida o bien a la que no se da importancia, lo que le da a las ondas tanta importancia dentro de nuestras vidas. Se demuestra matemáticamente que la potencia transmitida por las ondas, esto es la energía o capacidad de realizar trabajo por unidad de tiempo, es proporcional a la velocidad de propagación de la onda, al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia.
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( Última modificación: 12 de octubre de 2001)
--- La física cuántica casi sin ecuaciones ---