Principios Físicos de las Ondas y la Acústica

Conceptos Fundamentales de las Ondas

Una onda es una perturbación que se propaga desde un foco (punto de origen) hacia los puntos contiguos de un medio. Es crucial entender que, en una onda, se transmite energía sin que exista transferencia neta de materia.

Definiciones Clave

• Perturbación: Variación de una magnitud física respecto a un valor considerado de equilibrio.
• Foco: Punto donde se produce inicialmente la perturbación.

Tipos de Ondas

Las ondas pueden clasificarse de diversas maneras. Es importante notar que las ondas armónicas son las más simples (generalmente sinusoidales) y las ondas complejas pueden ser representadas como la suma de varias ondas armónicas simples.

Según su Naturaleza (Tipo de Energía)

• Ondas Electromagnéticas: No necesitan un medio material para propagarse. Pueden viajar en el vacío.
  • Ejemplo: La luz, ondas de radio, microondas.
• Ondas Mecánicas: Requieren un medio material (sólido, líquido o gaseoso) para su propagación.
  • Ejemplo: El sonido, ondas en el agua, ondas sísmicas.

Según la Dirección de Oscilación y Propagación

• Ondas Transversales: La dirección en la que vibran las partículas del medio es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
  • Ejemplo: Ondas en una cuerda, ondas electromagnéticas.
• Ondas Longitudinales: La dirección en la que vibran las partículas del medio es paralela a la dirección de propagación de la onda.
  • Ejemplo: El sonido, ondas en un muelle.

Según el Número de Dimensiones de Propagación

• Ondas Unidimensionales: Se propagan en una sola dirección (ejemplo: onda en una cuerda).
• Ondas Bidimensionales: Se propagan en un plano (ejemplo: ondas en la superficie del agua).
• Ondas Tridimensionales: Se propagan en el espacio (ejemplo: el sonido, la luz).

Características de las Ondas

Las ondas se describen mediante varias magnitudes físicas:

• Amplitud (A): Es la altura máxima que alcanza la perturbación respecto a la posición de equilibrio. Se relaciona con la energía de la onda.
• Periodo (T): Es el tiempo que tarda un punto del medio en completar una oscilación o vibración completa y volver al mismo estado de vibración. Se mide en segundos (s).
• Frecuencia (f): Representa el número de oscilaciones o vibraciones completas que ocurren en un segundo. Es la inversa del periodo (f = 1/T) y se mide en Hertz (Hz), que equivale a 1/s.
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en la misma fase de vibración (es decir, en el mismo momento de su ciclo de oscilación). Se mide en metros (m).
• Velocidad de Propagación (v): Es la velocidad a la que la perturbación se desplaza a través del medio. Depende exclusivamente de las propiedades del medio. Su relación con la longitud de onda y la frecuencia es: v = λ ⋅ f.
• Intensidad de la Onda (I): Es la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de área y por unidad de tiempo. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m²) o julios por metro cuadrado por segundo (J/(m²·s)). Una onda con mayor amplitud transporta mayor intensidad y, por lo tanto, mayor energía.

El Sonido: Una Onda Especial

El sonido es una onda longitudinal, mecánica y tridimensional. Se produce siempre que hay una vibración. La vibración de un foco genera compresiones y rarefacciones (descompresiones) en las partículas del medio, que se propagan a través de él.

Velocidad del Sonido

La velocidad de propagación del sonido varía significativamente según el medio:

• Es mayor en sólidos.
• Intermedia en líquidos.
• Menor en gases.

Además, la velocidad del sonido en un gas aumenta con la temperatura y, en menor medida, con la presión (aunque la presión por sí sola no afecta la velocidad si la densidad no cambia, en gases ideales la velocidad depende de la temperatura).

Cualidades del Sonido

• Tono (o Altura): Cualidad subjetiva del sonido que nos permite distinguir entre sonidos graves y agudos. Está directamente relacionado con la frecuencia de la onda sonora (mayor frecuencia = más agudo; menor frecuencia = más grave).
• Sonoridad (o Intensidad Subjetiva): Es la percepción subjetiva de la intensidad del sonido por el oído humano. Se mide en decibelios (dB) y está relacionada con la amplitud de la onda. Cualquier sonido por encima del umbral de audición es perceptible.
• Timbre: Cualidad del sonido que permite distinguir dos sonidos de la misma sonoridad y el mismo tono, pero producidos por fuentes diferentes. Depende de la forma de la onda y de la presencia de armónicos.

Fenómenos Sonoros

El sonido, como cualquier onda, experimenta diversos fenómenos al interactuar con el medio o con obstáculos:

• Reflexión: Fenómeno por el cual una onda, al incidir sobre una superficie, rebota y regresa al medio original.
  • Ejemplo: El eco.
• Absorción: Proceso por el cual la energía de una onda sonora es convertida en otra forma de energía (generalmente calor) al interactuar con un material.
  • Ejemplo: Materiales como el cartón o espumas acústicas se utilizan para absorber el sonido.
• Refracción: Cambio en la dirección de propagación de una onda cuando pasa de un medio a otro o cuando las propiedades del medio cambian, lo que provoca una variación en su velocidad.
• Difracción: Capacidad de una onda para rodear obstáculos o propagarse a través de pequeñas aberturas, extendiéndose más allá de la trayectoria rectilínea.
  • Ejemplo: Escuchar el sonido de una conversación al otro lado de una puerta entreabierta.

Fenómenos Avanzados del Sonido

• Cono de Mach y Número de Mach: Se produce un cono de Mach cuando una fuente sonora se mueve a una velocidad superior a la velocidad del sonido en el medio (V_fuente > V_sonido), rompiendo la barrera del sonido. El Número de Mach (M) se define como la relación entre la velocidad de la fuente y la velocidad del sonido (M = V_fuente / V_sonido).
• Efecto Doppler: Es el cambio aparente en la frecuencia de una onda percibida por un observador cuando la fuente de la onda y/o el observador están en movimiento relativo. Si la fuente se acerca, la frecuencia percibida es mayor (sonido más agudo); si se aleja, la frecuencia percibida es menor (sonido más grave).
  • Ejemplo: El cambio de tono de la sirena de una ambulancia al acercarse y alejarse.
• Interferencias: Fenómeno que ocurre cuando dos o más ondas se superponen en el mismo punto del espacio.
  • Interferencia Constructiva: Se produce cuando dos ondas en fase se superponen, resultando en una onda de mayor amplitud y, por lo tanto, mayor intensidad (la intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud).
  • Interferencia Destructiva: Se produce cuando dos ondas en oposición de fase se superponen, resultando en una anulación parcial o total de la amplitud y la intensidad. Si las ondas son idénticas y están en oposición de fase, la amplitud resultante es cero (A=0, I=0).
• Pulsaciones (o Batidos): Fenómeno que ocurre cuando dos ondas con amplitudes similares y frecuencias ligeramente diferentes se superponen, produciendo variaciones periódicas en la intensidad del sonido percibido.
• Ondas Estacionarias: Se forman por la interferencia entre dos ondas idénticas (misma amplitud, frecuencia y longitud de onda) que se propagan en sentidos opuestos. Son el resultado de la superposición de una onda incidente y su onda reflejada. En una onda estacionaria, existen puntos fijos llamados nodos (donde la amplitud es siempre cero) y puntos de máxima amplitud llamados antinodos.