Movimiento ondulatorio: características, tipos de ondas, ejemplos
El movimiento ondulatorio consiste en la propagación de una perturbación, llamada onda, en un medio material o inclusive en el vacío, si se trata de la luz o cualquier otra radiación electromagnética.
La energía viaja en el movimiento ondulatorio, sin que las partículas del medio se alejen mucho de sus posiciones, pues la perturbación solamente las hace oscilar o vibrar continuamente alrededor del sitio de equilibrio.
Y esta vibración es la que se transmite de una partícula a otra en el medio, en lo que se conoce como una onda mecánica. El sonido se propaga de esta manera: una fuente comprime y expande alternativamente las moléculas de aire, y la energía que viaja de esta manera se encarga a su vez de poner a vibrar el tímpano, una sensación que el cerebro interpreta como sonido.
En el caso de la luz, que no necesita medio material, es la oscilación de los campos eléctricos y magnéticos lo que se transmite.
Como vemos, dos de los fenómenos más importantes para la vida: la luz y el sonido, tienen movimiento ondulatorio, de allí la importancia de conocer más acerca de su comportamiento.
Índice del artículo
- 1 Características del movimiento ondulatorio
- 2 Tipos de ondas
- 3 Ejemplos de movimiento ondulatorio
- 4 Ejercicios resueltos
- 5 Referencias
Las ondas tienen varios atributos característicos que podemos agrupar según su naturaleza:
- Características espaciales, que se refieren a la forma.
- Características temporales o de duración.
Veamos una representación esquemática de una onda sencilla como una sucesión periódica de crestas y valles. El dibujo representa poco más de un ciclo o lo que es igual: una oscilación completa.
Estos elementos son comunes a todas las ondas, incluyendo la luz y el sonido.
- Cresta: la posición más alta.
- Valle: la más baja.
- Nodo: punto en que la onda intersecta a la posición de equilibrio. En la figura es la línea segmentada o eje horizontal.
- Longitud de onda: denotada con la letra griega λ (lambda) es la distancia entre dos crestas sucesivas, o entre un punto y otro que tenga la misma altura, pero del siguiente ciclo.
- Elongación: es la distancia vertical entre un punto de la onda y la posición de equilibrio.
- Amplitud: es la elongación máxima.
- Período, tiempo que dura un ciclo completo.
- Frecuencia: número de ondas producidas por unidad de tiempo. Es el inverso o recíproco del período.
- Velocidad: se define como el cociente entre la longitud de onda y el período. Si se denota como v, en forma matemática esta relación es:
v = λ /T
Existen diversos tipos de ondas, ya que se clasifican de acuerdo a varios criterios, por ejemplo se pueden clasificar según:
- La dirección que lleva la perturbación.
- El medio en el que se propagan.
- La dirección en la que oscilan las partículas del medio.
Una onda puede ser de varios tipos al mismo tiempo, tal como veremos a continuación:
Las partículas que componen el medio tienen la capacidad de responder de varias formas ante la perturbación, de esta manera surgen:
Ondas transversales
Las partículas del medio oscilan en dirección perpendicular a como lo hace la perturbación. Por ejemplo, si tenemos una cuerda tensa horizontal que se perturba en un extremo, las partículas oscilan de arriba abajo, mientras que la perturbación viaja horizontalmente.
Las ondas electromagnéticas también se desplazan de esta forma, tanto si lo hacen en un medio material como si no.
Ondas longitudinales
La propagación viaja en la misma dirección en que lo hacen las partículas del medio. El ejemplo más conocido es el sonido, en el cual la perturbación sonora comprime y expande el aire a medida que se mueve a través de él, haciendo que las moléculas se desplacen en vaivén de un lado a otro.
Ondas mecánicas
Siempre requieren de un medio material para propagarse, que puede ser sólido, líquido o gas. El sonido también es un ejemplo de onda mecánica, así como las ondas que se producen en las cuerdas tensas de los instrumentos musicales y las que se propagan por todo el globo terráqueo: las ondas sísmicas.
Ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas pueden propagarse en el vacío. No hay partículas en oscilación, sino campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares, y a la vez perpendiculares con la dirección de propagación.
El espectro de frecuencias electromagnéticas es muy amplio, pero apenas percibimos con nuestros sentidos una estrecha franja de longitudes de onda: el espectro visible.
Según la dirección de la propagación, las ondas pueden ser:
- Unidimensionales
- Bidimensionales
- Tridimensionales
Si tenemos una cuerda tensa, la perturbación viaja a todo lo largo, es decir, en una dimensión. También ocurre cuando se perturba un resorte o muelle flexible como el slinky.
Pero hay ondas que se mueven sobre una superficie, como la superficie del agua cuando se arroja una piedra sobre un estanque o las que se propagan en la corteza terrestre, en este caso se habla de ondas bidimensionales.
Finalmente, hay ondas viajando continuamente en todas las direcciones del espacio como el sonido y la luz.
Las ondas pueden propagarse a lo largo de grandes extensiones, como las ondas luminosas, el sonido y las ondas sísmicas. En cambio otras están limitadas a una región más pequeña. Por eso se clasifican también en:
-Ondas viajeras
-Ondas estacionarias.
Ondas viajeras
Cuando una onda se propaga desde su fuente y no regresa a ella, se tiene una onda viajera. Gracias a ellas escuchamos el sonido de la música que proviene de una habitación vecina y nos llega la luz del Sol, que debe recorrer 150 millones de kilómetros en el espacio hasta iluminar al planeta. Lo hace a velocidad constante de 300.000 km/s.
Ondas estacionarias
Al contrario que las ondas viajeras, las ondas estacionarias se mueven en una región limitada, por ejemplo la perturbación en la cuerda de un instrumento musical como una guitarra.
Ondas armónicas
Las ondas armónicas se caracterizan por ser cíclicas o periódicas. Esto quiere decir que la perturbación se repite cada cierto intervalo de tiempo constante, llamado período de la onda.
Las ondas armónicas se pueden modelar matemáticamente con ayuda de las funciones seno y coseno.
Ondas no periódicas
Si la perturbación no se repite cada cierto intervalo de tiempo, la onda no es armónica y su modelado matemático es bastante más complejo que el de las ondas armónicas.
La naturaleza nos presenta ejemplos de movimiento ondulatorio todo el tiempo, a veces esto es evidente, pero otras veces no, como en el caso de la luz: ¿cómo sabemos que se mueve como una onda?
La naturaleza ondulatoria de la luz se discutió durante siglos. Así, Newton estaba convencido de que la luz era un flujo de partículas, mientras que Thomas Young, a comienzos del siglo XIX, demostró que se comportaba como una onda.
Por último, cien años después Einstein afirmó, para tranquilidad de todos, que la luz era dual: onda y partícula a la vez, según si se estudia su propagación o la forma en que interactúa con la materia.
Por cierto, lo mismo sucede con los electrones en el átomo, también son entidades duales. Son partículas, pero también experimentan fenómenos exclusivos de las ondas, como la difracción, por ejemplo.
Veamos ahora algunos ejemplos cotidianos de movimiento ondulatorio evidente:
Un muelle suave, resorte o slinky consiste en un resorte helicoidal con el que se pueden visualizar las ondas longitudinales y transversales, según la forma en que se le perturbe por uno de sus extremos.
Al pulsar un instrumento como una guitarra o un arpa, se observan las ondas estacionarias ir y venir entre los extremos de la cuerda. El sonido de la cuerda depende de su grosor y de la tensión a la que esté sometida.
Cuanto más tensa esté la cuerda, más fácilmente se propaga una perturbación por ella, de igual manera cuando la cuerda es más delgada. Se puede demostrar que el cuadrado de la velocidad de la onda v2 viene dada por:
v2 = T / μ
Donde T es la tensión en la cuerda y μ es la densidad lineal de la misma, es decir, su masa por unidad de longitud.
Disponemos de las cuerdas vocales, con las cuales se emiten sonidos para la comunicación. Su vibración se percibe colocando los dedos sobre la garganta al hablar.
Se propagan en los cuerpos oceánicos en el límite entre el agua y el aire, y se originan por los vientos, que causan el vaivén de pequeñas porciones de líquido.
Estos vaivenes son amplificados por la acción de varias fuerzas además del viento: el rozamiento, la tensión superficial en el líquido y la siempre presente fuerza de gravedad.
La Tierra no es un cuerpo estático, ya que en su interior se producen perturbaciones que viajan a través de las distintas capas. Se perciben como temblores y ocasionalmente, cuando transportan mucha energía, como terremotos capaces de causar mucho daño.
Las modernas teorías atómicas explican la estructura del átomo mediante una analogía con las ondas estacionarias.
Una onda sonora tiene longitud de onda igual a 2 cm y se propaga a razón de 40 cm en 10 s.
Calcular:
a) Su velocidad
a) El período
b) La frecuencia
Solución a
Podemos calcular la velocidad de la onda con los datos suministrados, ya que se propaga a razón de 40 cm en 10 s, por lo tanto:
v = 40 cm/10 s = 4 cm / s
Solución b
Anteriormente se había establecido la relación entre la velocidad, la longitud de onda y el período como:
v = λ /T
Por lo tanto el período es:
T = λ / v = 2 cm / 4 cm / s = 0.5 s.
Solución c
Puesto que la frecuencia es el inverso del período:
f = 1 / T = 1 / 0.5 s = 2 s-1
El inverso de segundo o s-1 recibe el nombre de Hertz o hertzio y se abrevia Hz. Se le dio en honor al físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), quien descubrió la forma de producir las ondas electromagnéticas.
Una cuerda se tensa bajo la acción de una fuerza de 125 N. Si su densidad lineal μ es de 0.0250 kg/m, ¿cuál será la velocidad de propagación de una onda?
Solución
Anteriormente habíamos visto que la velocidad depende de la tensión y de la densidad lineal de la cuerda como:
v2 = T / μ
Por lo tanto:
v2 = 125 N / 0.0250 kg/m = 5000 (m/s)2
Tomando la raíz cuadrada de este resultado:
v = 70.7 m/s
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