Ondas Sonoras, Ultrasonidos y Ondas de Choque en Física

Ondas Sonoras, Ultrasonidos y Ondas de Choque

Movimiento Oscilatorio

Una partícula se mueve periódicamente con relación a su posición de equilibrio, desplazándose repetidamente hacia delante y hacia atrás por el mismo camino. A este movimiento se le llama oscilación. Si el movimiento es sinusoidal, se denomina movimiento armónico simple, descrito por la ecuación: x(t) = Acos(2πft + φ), donde:

• A representa la amplitud, el máximo desplazamiento de la partícula respecto a su posición de equilibrio.
• t es el período: el tiempo que emplea la masa en realizar un ciclo completo.
• f es la frecuencia: el número de oscilaciones por unidad de tiempo.
• φ es la fase inicial.

La velocidad y la aceleración, derivadas de la posición y la velocidad respectivamente, varían con el tiempo, con valores absolutos entre 0 y un valor máximo.

Osciladores Amortiguados

Un oscilador amortiguado está sometido a efectos de frenado debido a la resistencia del medio o a la fricción de las piezas mecánicas.

Movimiento Ondulatorio

Una partícula que vibra puede transmitir su oscilación a partículas vecinas, generando ondas. Una onda es una perturbación física que se transmite. El movimiento ondulatorio es la propagación de la onda en el medio. Se propaga energía, pero no materia. Un pulso de onda es un bucle que se mueve.

Tipos de Ondas

• Electromagnéticas: Se propagan en el vacío o en el aire a la velocidad de la luz. Se originan por la oscilación de campos eléctricos y magnéticos.
• Mecánicas: Describen un movimiento oscilatorio y se propagan en un medio material.
  • Longitudinales: La dirección de oscilación es paralela a la de propagación.
  • Transversales: La dirección de oscilación es perpendicular a la de propagación.

La ecuación del desplazamiento de una onda en función de la posición (x) y el tiempo (t) es: x = Acos(2π/λ x - 2πft), donde:

• A es el valor máximo del desplazamiento.
• λ (lambda) es la longitud de onda: la distancia mínima recorrida hasta que la función de onda se repite.
• t es el período: el tiempo que tarda la función en recorrer una distancia igual a la longitud de onda.
• f es la frecuencia: el número de crestas que llegan a un punto por segundo.

La velocidad de propagación de la onda (v) es la velocidad a la que viaja la perturbación: v = λ/t = λf. La energía de la onda es la suma de las energías totales de vibración de las partículas, y depende de la densidad del medio, la frecuencia y la amplitud de la onda. La potencia es la energía por unidad de tiempo, y la intensidad es la potencia por unidad de área perpendicular a la dirección de propagación.

Ultrasonidos

Los ultrasonidos se generan con un cristal semiconductor conectado a una corriente alterna. Las diferencias de potencial generan diferencias de presión, haciendo que el cristal se dilate o contraiga. Este efecto se conoce como efecto piezoeléctrico inverso. Cada molécula transmite la vibración a las moléculas vecinas, provocando un movimiento en cadena. El efecto mecánico buscado en la aplicación de ultrasonidos produce un micromasaje.

La velocidad de propagación del sonido en un fluido depende de la densidad del medio (ρ) y la compresibilidad (B): v = √(B/ρ). La longitud de onda sonora dependerá de la velocidad de propagación en el medio y de la frecuencia.

El efecto mecánico de los ultrasonidos varía en función del tejido y la frecuencia del equipo. La presión máxima será mayor si la velocidad de propagación es mayor. La distancia entre puntos de máxima presión es mayor en tendón o cartílago > músculo > grasa.

Efecto Térmico

Las vibraciones de los ultrasonidos producen calor por rozamiento. La absorción de energía depende de la densidad del medio y la frecuencia. La energía disminuye en su propagación: a mayor recorrido, mayor atenuación (medida en decibelios). Esto depende de la profundidad y del coeficiente de absorción, que aumenta con la densidad del medio y la frecuencia. La profundidad de penetración de los ultrasonidos es inversamente proporcional al coeficiente de absorción.

Divergencia

El haz de ultrasonidos diverge, produciendo dos zonas diferenciadas: la zona de Fresnel, con distintos picos de intensidad, y la zona de Fraunhofer, donde hay una pérdida de energía en los laterales, observándose un máximo de intensidad solo en la parte central.

Impedancia

La impedancia (Z) es la resistencia de los tejidos al paso de los ultrasonidos, y es el producto de la densidad del medio por la velocidad de propagación. Los medios sólidos presentan mayor resistencia que los líquidos, y estos a su vez mayor que los gaseosos.

Onda Reflejada

La relación entre los ángulos de incidencia y reflexión es: i = r. El porcentaje de intensidad reflejada se determina a partir de la relación entre las amplitudes de las ondas: Ir/Ii = ((Z2 - Z1)²/(Z1 + Z2)²) * 100. Si Z1 y Z2 son similares, la onda se transmite.

Onda Transmitida

La relación entre las intensidades de las ondas es: Ii = Ir + It. La intensidad transmitida será mayor cuanto más parecidas sean las impedancias.

Aplicación de Ultrasonidos

Se utiliza gel o se sumerge la zona en agua para que el porcentaje de onda transmitida sea elevado. Si se coloca el cabezal directamente sobre el paciente, no se transmiten las ondas. En la interfase con el hueso hay mayor reflexión, por lo que el tejido anterior puede recibir más energía, causando dolor.

Difracción

Cuando un frente de ondas llega a un obstáculo con una abertura, ocurre lo siguiente:

• Si la abertura es mayor que la longitud de onda, la onda pasa sin modificar su forma.
• Si la abertura es similar a la longitud de onda, la onda pasa, se deforma y se transmite en todas direcciones.

Interferencia de Ondas

Cuando dos o más ondas se propagan en el mismo medio, se produce una onda resultante de la suma de ambas. La interferencia puede ser constructiva (la amplitud aumenta) o destructiva (la amplitud disminuye).

Precauciones

Si la intensidad es alta, puede provocar cavitación u otros efectos nocivos. La solución es desplazar el cabezal. El equipo trabaja de forma continua o pulsátil.

Ondas de Choque

Son pulsos de ondas sonoras de elevada presión y corta duración, que pueden reflejarse. Un ejemplo es la litotricia, donde se utilizan ondas de choque para desmenuzar cálculos renales.

Infrarrojo, Ultravioleta y Láser

La radiación electromagnética es una forma de transmisión de energía por medio de ondas electromagnéticas, con o sin presencia de un medio material. Las ondas electromagnéticas son la propagación de un campo eléctrico y uno magnético en el espacio, perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de la onda.

Espectro Electromagnético

El espectro electromagnético es el conjunto de todas las longitudes de onda en que se presenta la radiación. La relación entre frecuencia (f), longitud de onda (λ) y energía (E) es: f = c/λ y E = hf = hc/λ, donde c es la velocidad de la luz (3x10⁸ m/s) y h es la constante de Planck (6.63x10⁻³⁴ Js).

Radiación Infrarroja

La longitud de onda de la radiación infrarroja (IR) está entre 10⁻⁴ y 10⁻⁶ m. Su fuente puede ser natural o artificial (lámpara infrarroja). La lámpara emite un haz divergente, con mayor irradiancia en la dirección perpendicular. La ley del coseno de Lambert establece que: Irradiancia = Irradiancia máxima * cos(α). La radiación disminuye con el cuadrado de la distancia a la lámpara. Parte de la onda se refleja, se transmite y se absorbe. La acción biológica depende de la intensidad y el tiempo de actuación. El efecto térmico es superficial, de baja penetración, y produce vasodilatación, aumento de la circulación y efectos sedantes y analgésicos.