Fenómenos Ondulatorios: Reflexión, Refracción y Difracción Explicados

Reflexión de Ondas: Conceptos y Leyes Fundamentales

La reflexión se produce cuando una onda choca con la superficie que separa dos medios distintos y retrocede, avanzando por el mismo medio original.

Leyes de la Reflexión de una Onda

• El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano.
• El ángulo que forma el rayo incidente con la normal (î) es igual al que forma el rayo reflejado con ella (θ_r).

(DIBUJO: Representación de la reflexión de una onda, mostrando los rayos incidente, reflejado y la normal, así como los ángulos î y θ_r).

Cuando el rayo 1 llega al punto A, el rayo 3 está en el punto B. El rayo 3 llega a la superficie de separación, punto B', en el momento en que el rayo 1 reflejado llega al punto A'. En consecuencia, el tiempo que tarda el rayo 3 incidente en recorrer la distancia BB' es el mismo que el que tarda el rayo 1 reflejado en recorrer la distancia AA'.

Relacionamos esta distancia con la velocidad de propagación de los rayos incidente y reflejado, que es la misma porque ambos se mueven por el mismo medio:

V_incidente = BB'/t

V_reflejado = AA'/t

Dado que V_incidente = V_reflejado, se deduce que BB' = AA'.

Aplicando trigonometría:

sen(î) = BB'/AB'

sen(θ_r) = AA'/AB'

Como BB' = AA', entonces sen(î) = sen(θ_r), lo que implica que î = θ_r.

Refracción de Ondas: Cambio de Dirección y Velocidad

La refracción se produce cuando una onda llega a la superficie que separa dos medios distintos y avanza por el segundo medio. En cada uno de ellos, la onda se moverá con velocidad distinta, por lo que cambiará la dirección en la que se propaga (salvo en incidencia perpendicular).

Leyes de la Refracción de una Onda

• El rayo incidente, el rayo refractado y la normal están en el mismo plano.
• Cuando el rayo incidente se propaga a mayor velocidad que el refractado, el ángulo de incidencia (î) es mayor que el ángulo de refracción (θ_s).

(DIBUJO: Representación de la refracción de una onda, mostrando los rayos incidente, refractado y la normal, así como los ángulos î y θ_s).

Cuando el rayo 1 llega al punto A, el rayo 3 está en el punto B. El rayo 3 llega a la superficie de separación, punto B', en el momento en que el rayo 1 refractado llega al punto A'. En consecuencia, el tiempo que tarda el rayo 3 incidente en recorrer la distancia BB' es el mismo que el que tarda el rayo 1 refractado en recorrer la distancia AA'.

Relacionemos esta distancia con la velocidad de propagación de ambos rayos:

V_incidente = BB'/t → V_incidente · t = BB'

V_refractado = AA'/t → V_refractado · t = AA'

Aplicando trigonometría:

sen(î) = BB'/AB'

sen(θ_s) = AA'/AB'

Dividiendo las ecuaciones de seno:

sen(î) / sen(θ_s) = (BB'/AB') / (AA'/AB') = BB'/AA'

Sustituyendo BB' y AA' por sus equivalentes en términos de velocidad y tiempo:

sen(î) / sen(θ_s) = (V_incidente · t) / (V_refractado · t)

Simplificando t:

sen(î) / V_incidente = sen(θ_s) / V_refractado

Cuando una onda llega a la superficie de separación entre dos medios y se puede propagar en el segundo, se pueden producir a la vez reflexión y refracción. En este caso, la energía del rayo incidente se reparte entre los rayos reflejado y refractado.

Difracción de Ondas: El Fenómeno de la Curvatura

La difracción se produce cuando una onda que se propaga en un medio se encuentra en su camino con aberturas u obstáculos de tamaño comparable a su longitud de onda. La difracción puede provocar un cambio en la dirección de propagación de la onda.

(DIBUJOS: Representaciones de la difracción de ondas).

Difracción a través de una Abertura

En la primera figura se observa lo que le sucede a un frente de ondas plano cuando llega a una barrera con una abertura. Aparece una onda con frente circular que se origina en la abertura (principio de Huygens). La onda resultante mantiene la amplitud, frecuencia, longitud de onda y fase de la onda que llega a la abertura. Si la abertura es amplia, solo se aprecia deformación en los bordes.

Difracción alrededor de un Obstáculo

En la segunda figura se muestra lo que sucede al frente de ondas plano cuando se encuentra un obstáculo. En sus bordes aparecen frentes de onda curvos, resultantes de las ondas que se originan en ellos, como se deduce del principio de Huygens.