Ondas bidimensionales: concepto, características, tipos, ejemplos
¿Qué son las ondas bidimensionales?
Son ondas bidimensionales aquellas cuyos frentes se desplazan sobre un plano, como es el caso de las olas que se forman sobre la superficie del agua tranquila, a causa de una pequeña perturbación.
De igual forma, son bidimensionales las ondas que se forman en la superficie del agua quieta en un balde, al dejar caer una gota de agua. Entonces se forman olas, cuyas crestas y valles forman círculos concéntricos alrededor del punto de la perturbación, propagándose en forma radial y hacia fuera, en las dos dimensiones de la interfaz del agua con el aire.
El tipo de onda bidimensional más común la que se produce en la interfaz de dos medios diferentes, por ejemplo el aire y el agua, o el aire y la superficie terrestre.
Pero también pueden producirse en la interfaz de dos líquidos de distinta densidad, o en las capas del subsuelo, a diferente velocidad de propagación.
También se pueden formar ondas electromagnéticas bidimensionales en la interfaz de dos medios de distinta constante dieléctrica, como en las ondas de radio que se propagan rasantes a la superficie terrestre.
Características de las ondas bidimensionales
La característica distintiva de las ondas bidimensionales es que se propagan en dos dimensiones, es decir que los frentes de onda se mueven sobre una superficie. Además:
- La superficie de propagación de las ondas bidimensionales es generalmente un plano, pero las ondas que se propagan sobre la superficie de una esfera también pueden ser consideradas bidimensionales, ya que no hay propagación en la dirección radial.
- Las ondas bidimensionales pueden ser longitudinales, transversales o una combinación de ambas. Lo que importa es que la dirección del movimiento de los frentes de onda ocurra sobre una superficie (dos dimensiones).
- Generalmente se producen en la interfaz de dos medios con diferentes propiedades elásticas o dieléctricas.
- También pueden producirse en un medio homogéneo tridimensional, si la perturbación inicial ocurre en dos direcciones y la tercera dirección permanece invariable.
Tipos de ondas bidimensionales
Ondas mecánicas
Se entiende por ondas mecánicas aquellas que requieran un medio material de propagación, el cual puede ser un gas, un líquido o un sólido.
En las ondas mecánicas, una perturbación es un pequeño desplazamiento del sustrato en equilibrio, que de esta forma genera una fuerza restauradora. Dicha fuerza se encarga de producir el pulso u onda que se propaga a través del medio.
Ondas electromagnéticas
A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no requieren de un medio de propagación, ya que son capaces de propagarse por el vacío.
Sin embargo, las ondas electromagnéticas en dos dimensiones generalmente se forman en la interfaz de dos medios como el vacío y una superficie dieléctrica, o el vacío y una superficie conductora, como un metal.
Ejemplos de ondas bidimensionales
Ondas bidimensionales mecánicas
Son muy variadas, algunos ejemplos son los siguientes:
1.- Ondas sobre una membrana tensa
Ejemplo de ellas son las ondas estacionarias que se forman en la superficie de un tambor.
2.- Ondas gravitacionales en la superficie oceánica
Son las que forman las olas del mar, y su comportamiento está regido principalmente por la fuerza de la gravedad, en otras palabras, por el propio peso del agua.
3.- Ondas superficiales interfaciales
Se forman en la interfaz de dos medios, por ejemplo en la superficie quieta de un lago y el aire por encima del mismo.
A diferencia de las olas del mar, en las cuales la fuerza restauradora es el peso, la propagación de las pequeñas ondas de un lago se debe en gran medida a la tensión superficial del agua. Se trata de la misma fuerza que permite a los pequeños insectos caminar por la superficie del agua tranquila, o a un delgado alfiler de acero flotar en ella.
4.- Ondas sísmicas superficiales
Son ondas bidimensionales que se propagan paralelamente a la superficie terrestre. Cumplen la ecuación de ondas para medios elásticos y su amplitud decae rápidamente con la profundidad, debido a la pérdida total de esfuerzo elástico en la superficie expuesta a la atmósfera.
Entre las ondas sísmicas que se propagan a lo largo y ancho de la superficie terrestre, destacan:
- Las ondas de Love, en las que la perturbación va paralela a la superficie.
- Las ondas de Rayleigh, cuya polarización es perpendicular a la dirección de propagación, y además son un poco más rápidas que las ondas de Love.
La velocidad de propagación en este tipo de ondas depende de la longitud de onda, por lo que se consideran ondas de tipo dispersivo.
5.- Ondas de Stoneley
Son ondas elásticas transversales que se propagan en forma bidimensional sobre la interfaz de dos materiales sólidos con diferente módulo de elasticidad.
Ondas bidimensionales electromagnéticas
También se presentan ondas bidimensionales electromagnéticas, como por ejemplo:
1.- Ondas SPP (Surface Plasmon Polariton)
Son ondas electromagnéticas que viajan a lo largo de la superficie bidimensional formada por un conductor metálico y un aislante.
El nombre se origina en el hecho de que este tipo de onda produce una polarización (o separación de carga inducida) en la superficie metálica y además, una onda electromagnética en el entorno cercano a dicha superficie.
Ambas ondas, la que se origina por separación de carga en el metal y la onda electromagnética, viajan juntas a lo largo de las dos dimensiones de la superficie metálica.
2.- Ondas rasantes de Norton
Son ondas de radio que viajan paralelamente a la superficie terrestre, siguiendo su curvatura, por tanto se consideran ondas bidimensionales.
Estas son las llamadas ondas de radio de onda larga, cuya frecuencia está por debajo de los tres megahertzios.
Tales ondas se difractan con facilidad, y por eso pueden rodear obstáculos y seguir la curvatura terrestre, propagándose así a grandes distancias.
3.- Ondas superficiales de Sommerfeld-Zenneck
Estas ondas electromagnéticas bidimensionales se trasladan paralelamente a la interfaz plana de dos medios homogéneos, pero con permitividades eléctricas distintas.
En la dirección ortogonal a la interfaz plana, la amplitud de estas ondas se desvanece en forma exponencial. Por esta razón se consideran auténticamente bidimensionales, propagándose solo a lo largo y ancho de la superficie que separa los dos medios.