Ondas longitudinales: características, diferencias, ejemplos
Las ondas longitudinales se manifiestan en medios materiales en los cuales las partículas oscilan paralelamente a la dirección en que la onda se desplaza. tal como se apreciará en las siguientes imágenes. Esta es su característica distintiva.
Las ondas de sonido, ciertas ondas que aparecen durante un terremoto y las que se producen en un slinky o resorte cuando a este se le confiere un pequeño impulso en la misma dirección de su eje, son buenos ejemplos de esta clase de ondas.
El sonido se produce cuando se hace vibrar un objeto (como el diapasón de la figura, un instrumento musical o simplemente las cuerdas vocales) en un medio capaz de transmitir la perturbación mediante la vibración de sus moléculas. El aire es un medio adecuado, pero también los líquidos y los sólidos lo son.
La perturbación modifica repetidamente la presión y la densidad del medio. De esta forma la onda produce compresiones y expansiones (rarefacciones) en las moléculas del medio, a medida que la energía se va desplazando a cierta velocidad v.
Estos cambios en la presión son percibidos por el oído mediante las vibraciones en el tímpano, que la red nerviosa se encarga de transformar en diminutas corrientes eléctricas. Al llegar al cerebro, este las interpreta como sonidos.
En una onda longitudinal el patrón que se repite continuamente se denomina ciclo, y su duración es el período de la onda. Además está la amplitud, que es la intensidad máxima y que se mide de acuerdo a la magnitud que se tome como referencia, en el caso del sonido puede ser la variación de la presión en el medio.
Otro parámetro importante es la longitud de onda: la distancia entre dos compresiones o expansiones sucesivas, véase la figura 1. En el Sistema Internacional la longitud de onda se mide en metros. Finalmente está su velocidad (en metros /segundo para el Sistema Internacional), que indica cuán rápido se propaga la energía.
Índice del artículo
- 1 ¿Cómo se manifiestan las ondas longitudinales en las olas marinas?
- 2 Diferencias con las ondas transversales
- 3 Ejemplos de ondas longitudinales
- 4 Referencias
En un cuerpo acuático las ondas se producen por múltiples causas (cambios de presión, vientos, interacciones gravitacionales con otros astros). De esta forma las ondas marinas se pueden clasificar en:
– Olas de viento
– Mareas
– Tsunamis
La descripción de estas ondas es bastante compleja. En líneas generales, en aguas profundas las ondas se mueven longitudinalmente, produciendo compresiones y expansiones periódicas del medio, tal como se describió al comienzo.
Sin embargo en la superficie del mar las cosas son un poco diferentes, ya que allí predominan las llamadas ondas superficiales, que combinan características de ondas longitudinales y ondas transversales. Por tanto, las ondas que se mueven en las profundidades del medio acuático difieren mucho de aquellas que lo hacen superficialmente.
Un madero flotando en la superficie marina tiene una suerte de movimiento de vaivén o bien de suave rotación. En efecto, cuando las olas rompen en la costa son las componentes longitudinales de la onda las que predominan, y como el madero responde al movimiento de las moléculas de agua que lo rodean, también se lo observa ir y venir sobre la superficie.
Los factores que determinan el tipo de onda que se produzca son: la profundidad del agua y la longitud de onda de la ola marina. Si a la profundidad del agua en un punto dado se la llama d, y la longitud de la onda es λ, las ondas pasan de ser longitudinales a superficiales cuando:
d λ/2
En la superficie las moléculas de agua adquieren movimientos de rotación que van perdiendo a medida que aumenta la profundidad. El roce de la masa de agua con el fondo hace que estas órbitas se vuelvan elípticas, como se muestra en la figura 2.
En las playas, las aguas cercanas a la orilla son más inquietas porque allí rompen las olas, las partículas de agua se ven frenadas en el fondo y esto hace que más agua se acumule en las crestas. En aguas más profunda en cambio, se percibe como el oleaje se suaviza.
Cuando d >> λ/2 se tienen las ondas de aguas profundas u ondas cortas, las órbitas circulares o elípticas disminuyen de tamaño y predominan las ondas longitudinales. Y si d < λ/2 las ondas son de aguas superficiales u ondas largas.
Tanto las ondas longitudinales como las transversales caen dentro de la categoría de ondas mecánicas, que requieren de un medio material para su propagación.
La mayor distinción que se hace entre ambas se mencionó al comienzo: en las ondas transversales las partículas del medio se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, mientras que en las longitudinales oscilan en la misma dirección seguida por la perturbación. Pero hay más características distintivas:
– En una onda transversal se distinguen crestas y valles, que en las longitudinales equivalen a las compresiones y expansiones.
– Otra diferencia es que las ondas longitudinales no se polarizan porque la dirección de la velocidad de la onda es la misma que la del movimiento de las partículas oscilantes.
– Las ondas transversales pueden propagarse en cualquier medio e incluso en el vacío, como las ondas electromagnéticas. En cambio en el interior de los fluidos, carentes de rigidez, a las partículas no les queda otra posibilidad más que deslizar entre sí y moverse como la perturbación lo hace, es decir, longitudinalmente.
Como consecuencia las ondas originadas en medio de las masas oceánicas y atmosféricas son longitudinales, dado que las ondas transversales requieren de medios con suficiente rigidez para permitir los movimientos perpendiculares característicos.
– Las ondas longitudinales originan variaciones de presión y densidad en el medio a través del cual se propagan. En cambio las ondas transversales no afectan al medio de esta manera.
En común tienen las mismas partes: período, amplitud, frecuencia, ciclos, fase y velocidad. Todas las ondas experimentan reflexión, refracción, difracción, interferencia y efecto Doppler y transportan energía a través del medio.
Aún cuando las crestas y los valles sean distintivos de una onda transversal, las compresiones en la onda longitudinal son análogas a las crestas y las expansiones a los valles, de tal forma que ambas ondas admiten la misma descripción matemática de onda senoidal o sinusoidal.
Las ondas sonoras son las ondas longitudinales más típicas y están entre las más estudiadas, dado que son el fundamento de la comunicación y de la expresión musical, razones para su importancia en la vida de las personas. Además, las ondas sonoras tienen importantes aplicaciones en la medicina, tanto en diagnóstico como en tratamiento.
Es bien conocida la técnica de ultrasonido para obtener imágenes médicas, así como para el tratamiento de los cálculos renales, entre otras aplicaciones. El ultrasonido se genera mediante un cristal piezoeléctrico capaz de crear una onda longitudinal de presión cuando se le aplica un campo eléctrico (también produce una corriente al aplicársele presión).
Para ver realmente cómo es una onda longitudinal, nada mejor que los resortes helicoidales o slinkys. Dando un pequeño impulso al resorte es inmediato observar como las compresiones y expansiones se van propagando alternadamente a todo lo largo de las espiras.
Las ondas longitudinales también forman parte de los movimientos sísmicos. Los terremotos constan de distintas clases de ondas, entre las que se encuentran las ondas P o primarias y las ondas S o secundarias. Las primeras son longitudinales, mientras que en las segundas las partículas del medio vibran en dirección transversal al desplazamiento de la onda.
En los terremotos se producen ondas tanto longitudinales (ondas primarias P) como transversales (ondas secundarias S) y de otros tipos, como ondas de Rayleigh y ondas de Love, superficiales.
De hecho las ondas longitudinales son las únicas que se sabe pueden viajar por el centro de la Tierra. Siendo que estas solamente se desplazan en medios líquidos o gaseosos, los científicos piensan que el núcleo terrestre está compuesto principalmente de hierro fundido.
Las ondas P y las ondas S producidas durante un terremoto viajan a distintas velocidades en la Tierra, así que sus tiempos de llegada a las estaciones sismográficas son diferentes (ver figura 3). Gracias a esto es posible determinar la distancia al epicentro del terremoto, mediante triangulación, utilizando datos de tres o más estaciones.
Supongamos que vP = 8 km/s es la velocidad de las ondas P, mientras que la velocidad de las ondas S es vS = 5 km/s. Las ondas P llegan con 2 minutos de antelación de las primeras ondas S. ¿Cómo calcular la distancia del epicentro?
Respuesta
Sea D la distancia entre el epicentro y la estación sismológica. Con los datos suministrados se encuentra el tiempo de viaje tP y tS de cada onda:
vP = D/ tP
vS = D/ tS
La diferencia es Δt = tS – tP:
Δt = D/ vS – D/ vP = D (1/ vS – 1/ vP)
Despejando el valor de D:
D = Δt / (1/ vS – 1/ vP) =(Δt . vP. vC ) /(vP – vC)
Sabiendo que 2 minutos = 120 segundos y sustituyendo el resto de los valores:
D = 120 s. (8 km /s . 5 km/s ) / (8 – 5 km/s) = 1600 km.
- Difference between Transverse and Longitudinal Waves. Recobrado de: physicsabout.com.
- Figueroa, D. 2005.Ondas y Física Cuántica. Serie Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 7. Editado por Douglas Figueroa. Universidad Simon Bolívar. 1-58.
- Infrasonidos y Ultrasonidos. Recobrado de: lpi.tel.uva.es
- Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson. 263-286.
- Russell, D. Longitudinal and Transverse Wave Motion. Recobrado de: acs.psu.edu.
- Water Waves. Recobrado de: labman.phys.utk.edu.