Fundamentos de Ondas: Propagación, Luz y Sonido
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Introducción a las Ondas
Una onda es una perturbación que se propaga, transportando energía, pero no materia. Se caracterizan por una serie de magnitudes como:
- La amplitud
- La frecuencia
- El periodo
- La longitud de onda (λ)
- La velocidad de onda (v)
Tipos de Ondas
Las ondas se clasifican principalmente en dos categorías:
Ondas Mecánicas
Son aquellas que necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Un ejemplo claro es el sonido.
Ondas Electromagnéticas
Son ondas que no necesitan un medio material para propagarse, ya que pueden viajar a través del vacío. La luz es el ejemplo más conocido.
La Naturaleza de la Luz
La Luz como Onda Electromagnética
La luz visible es una onda electromagnética.
Velocidad de la Luz
La velocidad de la luz (c) en el vacío es extremadamente alta. Actualmente, no se conoce ningún movimiento que la supere. Su valor aproximado en el vacío es de 3 x 108 m/s o 300.000 km/s.
Índice de Refracción
El índice de refracción (n) es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en otro medio (v). Se simboliza con la letra n y no tiene unidades:
n = c / v
Propagación Rectilínea y Rayo de Luz
La luz se propaga en línea recta. Teniendo en cuenta esta propiedad, se puede definir el concepto de rayo de luz:
Un rayo de luz es la línea recta imaginaria que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz.
Fenómenos Luminosos
Eclipses
Los eclipses son fenómenos astronómicos que ocurren cuando un cuerpo celeste oculta a otro, debido a la alineación de tres astros.
Eclipse de Sol
Se produce cuando la Tierra pasa a través de la sombra que proyecta la Luna, estando los tres astros (Sol, Luna, Tierra) alineados.
Eclipse de Luna
Se produce cuando la Luna pasa por el cono de sombra de la Tierra, estando los tres astros (Sol, Tierra, Luna) alineados.
Reflexión de la Luz
La reflexión es el fenómeno por el cual la luz, al llegar a una superficie de separación entre dos medios, es devuelta al primer medio, cambiando de dirección.
Refracción de la Luz
La refracción de la luz es un fenómeno que consiste en el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propagan con distinta velocidad.
Visión del Color
Percepción del Color
La luz que nos llega desde el Sol es la luz blanca. Si esta luz se hace pasar por un prisma óptico, podemos observar que emergen luces de distintos colores (el espectro visible), y cada uno de ellos viaja a distinta velocidad en el medio del que está construido el prisma. Este es el fundamento que explica por qué podemos ver los diferentes colores de los cuerpos, aunque el mecanismo es distinto si se trata de cuerpos opacos o transparentes.
Cuerpos Opacos
En los cuerpos opacos, la luz blanca llega a un cuerpo que absorbe toda la radiación excepto una, que es reflejada. El color que percibimos es el de la luz reflejada.
Cuerpos Transparentes
Ocurre en cuerpos transparentes que presentan color, como por ejemplo los vidrios de colores. El color que percibimos es el de la luz que atraviesa el material.
La Naturaleza del Sonido
Definición de Sonido
El sonido es la vibración de un cuerpo que se propaga en forma de ondas por un medio elástico.
El Sonido como Onda Mecánica
El sonido necesita un medio elástico para propagarse, por lo tanto, es una onda mecánica. Por ello, se habla de onda sonora.
Rango Auditivo Humano
El oído humano es capaz de percibir sonidos cuyas frecuencias estén comprendidas entre 20 Hz y 20.000 Hz. Hay otros sonidos que no somos capaces de percibir, que son los infrasonidos y los ultrasonidos:
- Infrasonidos: Sonidos de frecuencias inferiores a 20 Hz.
- Ultrasonidos: Sonidos de frecuencias mayores a 20.000 Hz.
Fórmula de la Velocidad del Sonido
La fórmula general de la velocidad de una onda, aplicable al sonido, es:
V = Δs / Δt = λ ⋅ f = λ / T
Donde:
Ves la velocidad de propagación.Δses el desplazamiento.Δtes el tiempo.λ(lambda) es la longitud de onda.fes la frecuencia.Tes el periodo.
Eco
El eco es un fenómeno acústico de reflexión del sonido. Para que se produzca un eco perceptible, el sonido debe recorrer una distancia suficiente para que el sonido reflejado llegue al oído con un retardo mínimo de 0.1 segundos respecto al sonido original.
Ejemplo de cálculo de distancia para el eco (considerando la velocidad del sonido en el aire de 340 m/s y un tiempo de 0.1 s para el eco):
Δs = V ⋅ Δt = 340 m/s ⋅ 0.1 s = 34 m
Esto significa que la distancia total recorrida por el sonido (ida y vuelta) es de 34 metros. Por lo tanto, la superficie reflectora debe estar a una distancia mínima de 17 metros para que se perciba el eco.