Fundamentos de Óptica y Acústica: Naturaleza de la Luz, Ondas y Sonido

Dualidad Onda-Partícula de la Luz

La doble naturaleza de la luz es un concepto fundamental en física. Hoy en día se acepta que la luz posee una doble naturaleza, y no tiene sentido preguntarse si es exclusivamente una onda o una partícula. Por ejemplo, para poder explicar el efecto fotoeléctrico, necesitamos considerar la luz como partículas (fotones), sin embargo, la difracción de la luz nos indica claramente su carácter ondulatorio.

Síntesis Electromagnética

Las ondas electromagnéticas son ondas transversales compuestas por un campo eléctrico (E) y un campo magnético (B). Ambos campos son perpendiculares entre sí y, a su vez, perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Ángulo Límite y Reflexión Total

Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro con un menor índice de refracción, el rayo refractado se aleja de la normal. Existe un valor crítico para el ángulo de incidencia, llamado ángulo límite, para el cual el rayo refractado sale rasante a la superficie de separación de ambos medios, cumpliéndose que el ángulo de refracción (r) es igual a 90º (r = 90º). Si el ángulo de incidencia supera el ángulo límite, ocurre la reflexión total interna.

Tipos de Ondas

La velocidad de las ondas mecánicas depende de las características del medio y no del foco emisor.

• En sólidos, se propagan las ondas mecánicas transversales y longitudinales. Su velocidad de propagación aumenta con la rigidez del medio y disminuye con la densidad.
• En fluidos (líquidos y gases), solo se propagan las ondas longitudinales. Su velocidad depende de la compresibilidad y de la densidad del fluido.

Cualidades del Sonido

Intensidad

La intensidad de una onda sonora es la energía que transporta a través de la unidad de superficie en cada unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional es el W·m⁻². El intervalo de intensidad que puede percibir el oído humano depende de la frecuencia, y va, aproximadamente, desde 1.0 × 10⁻¹² W·m⁻², que corresponde al umbral de audición, hasta 1 W·m⁻², que produce sensación de dolor. La intensidad de un sonido se asocia directamente a la amplitud de la onda.

Tono

El tono es la cualidad que permite distinguir dos sonidos por la frecuencia de su vibración. Atendiendo al tono, los sonidos se clasifican en agudos, para frecuencias altas, y graves, que son aquellos que tienen valores de frecuencia más bajos.

Timbre

El timbre es la cualidad que nos permite distinguir dos sonidos de igual intensidad y del mismo tono procedentes de dos fuentes sonoras distintas. Se debe a que, generalmente, un sonido no es puro, sino que es el resultado de la composición y superposición de varios sonidos de diferente frecuencia que constituyen su espectro acústico.

Principio de Huygens

Según el Principio de Huygens, cada punto de un frente de onda puede considerarse como un foco de ondas elementales secundarias que se propagan con la misma velocidad y frecuencia que la onda inicial. Al cabo de cierto tiempo, el nuevo frente de onda es la envolvente de estas ondas secundarias.