Fundamentos de Ondas: Tipos, Propiedades y Fenómenos Físicos

Ondas

Tipos de Ondas

Ondas mecánicas

Perturbación física que se propaga a través de un medio material elástico.

Ondas electromagnéticas

Perturbación de campos eléctricos y magnéticos que no necesitan un medio material para propagarse (pueden viajar en el vacío).

Ondas longitudinales

Ondas en las que las partículas del medio vibran en dirección paralela a la dirección de propagación de la onda (ej. sonido). Se caracterizan por zonas de compresión (alta presión y densidad) y expansión o rarefacción (baja presión y densidad).

Ondas transversales

Ondas en las que las partículas del medio vibran en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda (ej. luz, ondas en una cuerda).

Ondas unidimensionales (o lineales)

Ondas que se propagan en una sola dirección del espacio (ej. onda en una cuerda tensa).

Ondas bidimensionales (o superficiales)

Ondas que se propagan en un plano o superficie (ej. ondas en la superficie del agua).

Ondas tridimensionales (o esféricas)

Ondas que se propagan en todas las direcciones del espacio a partir de la fuente (ej. sonido, luz).

Propiedades de las Ondas

Foco

Punto de origen donde se genera la perturbación de la onda; también llamado fuente.

Fuerzas de restitución

Fuerzas que tienden a devolver el medio a su estado de equilibrio después de una perturbación, permitiendo la propagación de la onda.

Longitud de onda (λ)

Distancia mínima entre dos puntos consecutivos de la onda que se encuentran en el mismo estado de vibración (ej. entre dos crestas o dos valles).

Frecuencia (f)

Número de oscilaciones completas (o ciclos) que realiza la onda por unidad de tiempo. Se mide en Hertz (Hz).

Elongación (y)

Desplazamiento instantáneo de una partícula del medio respecto a su posición de equilibrio al paso de la onda.

Amplitud (A)

Máxima elongación o desplazamiento máximo de las partículas del medio respecto a su posición de equilibrio.

Velocidad de propagación (v)

Velocidad a la que se propaga la perturbación a través del medio. Es finita y depende de las propiedades del medio. Relacionada con la longitud de onda y la frecuencia por v = λf.

Tren de ondas

Sucesión continua de ondas generada por una fuente que vibra durante un intervalo de tiempo.

Frente de onda

Lugar geométrico de todos los puntos del medio que son alcanzados por la perturbación en el mismo instante y, por tanto, vibran en fase.

Rayo

Línea imaginaria perpendicular a los frentes de onda que indica la dirección y sentido de propagación de la energía de la onda.

Fenómenos Ondulatorios

Reflexión de ondas

Fenómeno que ocurre cuando una onda, al encontrar un obstáculo o la frontera entre dos medios diferentes, cambia de dirección y regresa parcial o totalmente al medio original.

Refracción de ondas

Fenómeno que ocurre cuando una onda pasa de un medio a otro con diferente velocidad de propagación, lo que provoca un cambio en su velocidad y, generalmente, en su dirección.

Difracción de ondas

Fenómeno por el cual una onda es capaz de rodear obstáculos o propagarse a través de aberturas. Es más notable cuando el tamaño del obstáculo o abertura es comparable a la longitud de onda.

Principio de superposición

Cuando dos o más ondas coinciden en un punto del medio, la elongación resultante en ese punto es la suma vectorial (o algebraica, si son colineales) de las elongaciones que cada onda produciría individualmente.

Interferencia de ondas

Fenómeno resultante de la superposición de dos o más ondas coherentes (generalmente con la misma o similar frecuencia) en una región del espacio.

Interferencia constructiva

Ocurre cuando las ondas que se superponen están en fase (o su diferencia de fase es un múltiplo par de π), resultando en una amplitud mayor que la de las ondas individuales.

Interferencia destructiva

Ocurre cuando las ondas que se superponen están en oposición de fase (o su diferencia de fase es un múltiplo impar de π), resultando en una amplitud menor que la de las ondas individuales, pudiendo llegar a ser nula.

Ondas estacionarias

Resultado de la superposición de dos ondas de igual amplitud y frecuencia que viajan en la misma dirección pero en sentidos opuestos. Se caracterizan por tener puntos fijos llamados nodos (amplitud nula) y puntos de máxima amplitud llamados antinodos o vientres.

Nodo

Punto de una onda estacionaria donde la amplitud de la vibración es siempre nula.

Ondas Sonoras y Sonido

Sonido

Onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico (sólido, líquido o gas), producida por la vibración de un objeto. Es percibido por el oído humano dentro de un cierto rango de frecuencias.

Reflexión del sonido

Fenómeno por el cual las ondas sonoras rebotan al incidir sobre una superficie.

Eco

Fenómeno producido por la reflexión del sonido, que consiste en la percepción de un sonido reflejado con suficiente retardo respecto al sonido directo como para ser distinguido como un sonido separado.

Reverberación

Fenómeno acústico que consiste en la persistencia del sonido en un recinto después de que la fuente sonora original ha cesado, debido a múltiples reflexiones en las paredes, techo y suelo.

Resonancia

Fenómeno que ocurre cuando un sistema es sometido a una fuerza oscilante con una frecuencia igual o muy cercana a una de sus frecuencias naturales de vibración, resultando en un aumento significativo de la amplitud de la oscilación.

Cualidades del Sonido

Intensidad del sonido (I)

Propiedad física del sonido relacionada con la cantidad de energía que transporta la onda sonora por unidad de tiempo y unidad de área perpendicular a la dirección de propagación. Se percibe subjetivamente como el volumen (fuerte o débil). Se mide en W/m² o, más comúnmente, en decibelios (dB) en una escala logarítmica.

Tono (o altura)

Cualidad subjetiva del sonido que permite clasificarlo como grave (baja frecuencia) o agudo (alta frecuencia). Está directamente relacionado con la frecuencia fundamental de la onda sonora.

Timbre

Cualidad subjetiva del sonido que permite distinguir dos sonidos de igual intensidad y tono producidos por fuentes diferentes (ej. un violín y una flauta tocando la misma nota). Está relacionado con la forma de la onda y la presencia y amplitud relativa de los armónicos.

Efecto Doppler

Efecto Doppler

Cambio aparente en la frecuencia (y por tanto en el tono) de una onda percibida por un observador cuando existe movimiento relativo entre la fuente de la onda y el observador.