Fenomenos Ondulatorios

FENÓMENOS ONDULATORIOS Y FENÓMENOS ONDULATORIOS MECANICOS

Los fenómenos ondulatorios son parte importante del mundo que nos rodea. A través de ondas nos llegan los sonidos, como ondas percibimos la luz; se puede decir que a través de ondas recibimos casi toda la información que poseemos. A partir del análisis de fenómenos ondulatorios tan sencillos como las olas que se extienden por una charca o las sacudidas que se propagan por una cuerda tensa trataremos de estudiar las características generales de todos los movimientos ondulatorios.

Las propiedades de las ondas se manifiestan a través de una serie de fenómenos que constituyen lo esencial del comportamiento ondulatorio. Así, las ondas rebotan ante una barrera, cambian de dirección cuando pasan de un medio a otro, suman sus efectos de una forma muy especial y pueden salvar obstáculos o bordear las esquinas. Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un numero de situaciones estándar, a esto se les llama fenómenos ondulatorios. Las ondas pueden experimentar los siguientes fenómenos:

-REFLEXIÓN: Es el cambio de dirección de una onda que se encuentra en la superficie de separación entre dos medios, es decir, el cambio de dirección que experimenta una onda cuando choca con un obstáculo. Algún ejemplo común es la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.

- Refracción: Es el cambio de velocidad de propagación que experimenta una onda cuando pasa de un medio a otro, sin variar su frecuencia.

Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.

Ley fundamental de la refracción:

1. ª Ley. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.

2. ª Ley. (Ley de Snell) Los senos de los ángulos de incidencia i y de refracción r son directamente proporcionales a las velocidades de propagación v1 y v2 de la luz en los respectivos medios.

Cuando la luz pasa de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor, por ejemplo del aire al agua, los rayos refractados se acercan a la normal.

Si el índice de refracción del segundo medio es menor los rayos refractados se alejan de la normal.

Todo esto quiere decir que la refracción se produce cuando un rayo de luz es desviado de su trayectoria al atravesar una superficie de separación entre medios diferentes. Esto se debe a que la velocidad de propagación de la luz en cada uno de ellos es diferente.

-Difracción: es el fenómeno ondulatorio que consiste en el curvado y esparcido de la onda cuando la onda pasa a través de un orificio de tamaño menor que la longitud de onda o pasa cerca de un obstáculo. Manifestándose porque la onda se curva al pasar por la abertura y bordea el obstáculo.

Experimento de Young:

El experimento de Young, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al difractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.

-Polarización: Cuando los planos de vibración de una onda se restringen a uno solo, se dice que la onda se ha polarizado. Este fenómeno se presenta en las ondas transversales, más no en la longitudinales, por lo tanto no lo experimenta el sonido. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

La luz puede vibrar en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. ¿Qué pasaría si tan solo vibrase en una dirección? En 1938, E.H. Land inventó un sistema para obtenerla.

Land inventó una película polarizadora simple y comercial llamada Polaroid. Este producto contiene moléculas de hidrocarburo de cadena larga orientadas en una única dirección. Cuando la luz pasa a través de este filtro Polaroid todas las direcciones de vibración sernas anuladas o absorbidas por el filtro excepto una. La luz está polarizada.

Las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano del tiempo, son perpendiculares a las oscilaciones del campo magnético, y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

-Interferencia: cuando dos ondas se encuentran en un punto, La perturbación total resultante es la suma de las perturbaciones de ambas ondas, es decir, el desplazamiento resultante en ese punto es la suma de los desplazamientos individuales producidos por cada una de las ondas. La interferencia puede ser constructiva (izquierda) o destructiva (derecha); Si los desplazamientos van en el mismo sentido, ambas ondas se refuerzan; si van en sentido opuesto, se debilitan mutuamente.

-Efecto Doppler: El efecto Doppler, llamado así por el austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. Doppler propuso este efecto en 1842 en su tratado Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels.

Se produce en las ondas sonoras cuando un centro emisor se mueve rápido en el especio y el receptor percibe un cambio en la frecuencia de la onda que genera el sonido, pero este cambio de frecuencia percibido es solo aparente.

-Resonancia: Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima. La frecuencia natural es aquella a la que el sistema vibraría si lo desviáramos de su posición de equilibrio y lo dejáramos moverse libremente. Si se excita un sistema mediante la aplicación continuada de fuerzas externas con esa frecuencia, la amplitud de la oscilación va creciendo y puede llevar a la destrucción del sistema.

LA ONDA

En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.

Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío.

A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Los conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido, pero, inversamente, los fenómenos ondulatorios permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento ondulatorio.

Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos:

Ondas mecánicas: Son aquellas que necesitan un medio elástico para protegerse, ya sea solido, líquido o gaseoso. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto a través del medio. Por ejemplo cuando se sacude el extremo de una alfombra, esta no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. Dentro de las ondas mecánicas encontramos las ondas sonoras, elásticas y las de gravedad.

Ondas electromagnéticas: Son aquellas que se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo, por lo tanto, propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado.

Ondas gravitacionales: son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y que es común representarlas viajando en el espacio en el vacío, pero técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo

Junto a una primera clasificación de las ondas en mecánicas y electromagnéticas, es posible distinguir diferentes tipos de ondas atendiendo a criterios distintos. En relación con su ámbito de propagación las ondas pueden clasificarse en:

-Mono dimensional: Son aquellas que, como las ondas en los muelles o en las cuerdas, se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio.

-Bidimensionales: Se propagan en cualquiera de las direcciones de un plano de una superficie. Se denominan también ondas superficiales y a este grupo pertenecen las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando se deja caer una piedra sobre él. Atendiendo a la periodicidad de la perturbación local que las origina, las ondas se clasifican en:

- Periódicas: Corresponden a la propagación de perturbaciones de características periódicas, como vibraciones u oscilaciones que suponen variaciones repetitivas de alguna propiedad. Así, en una cuerda unida por uno de sus extremos a un vibrador se propagará una onda periódica.

-No periódicas: La perturbación que las origina se da aisladamente y en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas, como en el caso de las fichas de dominó, se denominan también pulsos. Según que la dirección de propagación coincida o no con la dirección en la que se produce la perturbación, las ondas pueden ser:

-Longitudinales: El movimiento local del medio alcanzado por la perturbación se efectúa en la dirección de avance de la onda. Un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

-Transversales: La perturbación del medio se lleva a cabo en dirección perpendicular a la de propagación. En las ondas producidas en la superficie del agua las partículas vibran de arriba a abajo y viceversa, mientras que el movimiento ondulatorio progresa en el plano perpendicular. Lo mismo sucede en el caso de una cuerda; cada punto vibra en vertical, pero la perturbación avanza según la dirección de la línea horizontal. Ambas son ondas transversales.

Principio de Huygens El principio de Huygens es una herramienta útil y bastante sencilla para entender muchos de los extraños procesos que suceden relacionados con las ondas. Si bien no es estrictamente correcto y además se acepta sin una demostración rigurosa, sirve para explicar satisfactoriamente algunos fenómenos ondulatorios como la interferencia, reflexión o refracción.

Elementos de una onda

Período: El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.

Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado.

Elongación: es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.

Valle: Es el punto más bajo de una onda.

Cresta: La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo.

Longitud de onda: Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas.

Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

Ciclo: es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta.

Velocidad de propagación: es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el cociente de la longitud de onda y su período.

Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.

ALGUNAS APLICACIONES DE ONDAS MECANICAS

Toda esta investigación, estos descubrimientos y experimentos de alguna manera benefician a nuestra vida cotidiana día a día, pues todo lo que se crea es para beneficiar y facilitar la vida. Para demostrárnoslo enseguida explico algunos ejemplos acerca de en lo que ayudan las ondas:

Ondas radio: El uso más habitual de las ondas de radio con efecto terapéutico se lleva a cabo mediante el uso de corrientes alternas de frecuencia superior a los 100 KHz.

A diferencia de las corrientes alternas de frecuencia menor, las ondas de radio no tienen un efecto excito motor, es decir, estimulante del sistema neuromuscular, sino que producen en el organismo un efecto térmico. Gracias a las ondas de radio se dispone de un mecanismo para realizar una termoterapia en

el interior del organismo de manera homogénea.

Microondas.

Las ondas microondas tienen muchas aplicaciones. Una de ellas es la de los hornos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo que hay una transferencia de calor muy grande a los alimentos en poco tiempo.

Las comunicaciones y el radar son otras dos aplicaciones de las microondas.

Infrarrojos:

Los rayos infrarrojos se utilizan comúnmente en nuestra vida cotidiana: cuando encendemos el televisor y cambiamos de canal con nuestro mando a distancia; en el supermercado, nuestros productos se identifican con la lectura de los códigos de barras; vemos y escuchamos los discos compactos. Todo, gracias a los infrarrojos. Estas son sólo algunas de las aplicaciones más simples, ya que se utilizan también en sistemas de seguridad, estudios oceánicos, medicina, etc.

Los rayos X:

Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la industria y la medicina.

El estudio de los rayos X ha desempeñado un papel primordial en la física teórica, sobre todo en el desarrollo de la mecánica cuántica.

Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante rayos X, para que las unidades defectuosas puedan eliminarse en el lugar de producción. Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de contrabando en las aduanas; también se utilizan en los aeropuertos para detectar objetos peligrosos en los equipajes. Los rayos X ultra blandos se emplean para determinar la autenticidad de obras de arte y para restaurar cuadros.

Las fotografías de rayos X o radiografías y el fluoroscopio se emplean mucho en medicina como herramientas de diagnóstico. En la radioterapia se emplean rayos X para tratar determinadas enfermedades, en particular el cáncer, exponiendo los tumores a la radiación.

Rayos gamma:

Los rayos gamma provenientes del cobalto 60 se utilizan para esterilizar instrumentos que no pueden ser esterilizados por otros métodos, y con riesgos considerablemente menores para la salud.

Los rayos gamma también son utilizados en la radioterapia.

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