Clasificación de las ondas

En función del medio en el que se propagan

Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.

Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas 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 las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300000 km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas.

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

En función de su propagación o frente de onda

Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos.

Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella.

Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

En función de la dirección de la perturbación

Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven (ó vibran) paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

En función de su periocidad

Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal.

Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos.

Ejemplos de ondas

Olas, que son perturbaciones que se propagan por el agua.

Ondas de radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, luz ultravioleta, rayos X, y rayos gamma conforman la radiación electromagnética. En este caso, la propagación es posible sin un medio, a través del vacío. Estas ondas electromagnéticas viajan a 299,792,458 m/s en el vacío.

Sonoras — una onda mecánica que se propaga por el aire, los líquidos o los sólidos.

Ondas de tráfico (esto es, la propagación de diferentes densidades de vehículos, etc.) — estas pueden modelarse como ondas cinemáticas como hizo Sir M. J. Lighthill

Ondas sísmicas en terremotos.

Ondas gravitacionales, que son fluctuaciones en la curvatura del espacio-tiempo predichas por la relatividad general. Estas ondas aún no han sido observadas empíricamente.

Características de una onda

El modelo de ondas permite describir muchos fenómenos físicos.

Las ondas no se ven, pero pueden observarse sus efectos, por lo tanto su representación gráfica no es la realidad misma sino solo una forma de interpretarla, un modelo que permite su descripción y comprensión. Para caracterizar una onda y diferenciarla de otra, es necesario tener presentes algunas magnitudes que aportan información sobre sus propiedades.

Si se considera un par de ejes cartesianos, de modo que el eje y corresponde a la dirección de oscilación y el eje x a la dirección de propagación de la onda, y se analizan las posiciones de los puntos del medio alcanzados por la onda en un cierto instante, se puede observar que existen valores máximos y mínimos. Para obtenerlos se considera el desplazamiento de la onda respecto del eje positivo o negativo de las ordenadas (posición de equilibrio) una misma cantidad A. Este valor se denomina amplitud de la onda.

A las posiciones máximas se las denomina crestas y a las mínimas, valles.

Las posiciones o puntos intermedios están caracterizados por una coordenada y que se denomina elongación.

La distancia entre dos máximos o dos mínimos consecutivos se llama longitud de onda y se simboliza λ. Cada onda tiene su longitud de onda característica que se mide en metros. También se utilizan algunos de sus múltiplos y submúltiplos como kilómetros, centímetros, nanómetros (10–9 m), ángstroms (10–10 m), etc.

El período de la onda (T) corresponde al intervalo de tiempo en el cual se produce una oscilación completa. En ese tiempo, la perturbación recorre una longitud de onda.

La frecuencia (f) es el número de oscilaciones completas que se realizan por unidad de tiempo. Su unidad de medida es la oscilación por segundo o hertz (Hz). Si f = 1/ s la onda tiene una frecuencia de un hertz. Es decir 1 Hz = 1 /s .

Para frecuencias muy altas se utilizan algunos múltiplos como kilohertz (1 kHz = 103 Hz) o megahertz (1 MHz = 106 Hz).

La velocidad de propagación de la onda depende del tipo de onda y del medio en el que se propaga. Por ejemplo, la velocidad de propagación del sonido en el aire a 20 ºC es aproximadamente 340 m/s, mientras que la velocidad de propagación de la luz en el vacío es 300 000 km/s. Como la velocidad es constante para cada medio, en tanto se mantengan las condiciones, su módulo se puede calcular tomando en cuenta la distancia recorrida por la perturbación y el tiempo que tarda en recorrer dicha distancia.

Considerando que la señal recorre una longitud de onda, λ, en un período T, se puede calcular su velocidad mediante la expresión: v=λ /T

Además, teniendo en cuenta que la frecuencia se define también como la inversa del período f = 1/ T y reemplazando en la fórmula anterior, se obtiene que:

v = λ · f

donde v es la velocidad de la onda, λ su longitud y f su período.

Tipos de ondas

Se denomina onda mecánica a una perturbación que se propaga por un medio material transportando energía mecánica.

Por ejemplo, si una persona genera un pulso en el extremo de una soga, se producen vibraciones en los puntos de la soga cercanos a la mano. La energía se transmite a través de cada partícula de la soga (medio material), una a una si las consideramos puntuales, hasta llegar al otro extremo. Cada punto de la soga oscila hacia arriba y abajo con respecto a su posición original en dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Si en lugar de producir un pulso se genera un movimiento continuo hacia arriba y abajo con respecto a la posición de equilibrio, se produce una sucesión de pulsos. En este caso, todas las partículas de la soga vibran al ser alcanzadas por el movimiento ondulatorio.

Por el contrario, si se considera un resorte y se comprime en uno de sus extremos, las espiras oscilan en la misma dirección en que se propaga la onda. Cuando se suelta el extremo, las espiras tienden a regresar a su posición original. El movimiento de compresión y elongación de las espiras se transmite a lo largo de todo el resorte con una determinada velocidad de propagación, que depende del tipo de pulso generado y de la elasticidad del medio o características del resorte.

En estos dos ejemplos se originan ondas mecánicas que transmiten energía a través de un medio material.

Si las partículas del medio en el que se propaga la perturbación vibran en un eje perpendicular a la dirección de propagación, las ondas se llaman transversales, como el caso de la soga.

Si las partículas vibran en un eje paralelo a la dirección de propagación, las ondas se denominan longitudinales, como ocurre en el resorte.

Una onda longitudinal siempre es mecánica, es decir se propaga en un medio material.

Las ondas sonoras son un ejemplo típico de esta forma de movimiento ondulatorio.

Las ondas transversales pueden ser mecánicas, como las que se propagan a lo largo de una cuerda tensa cuando se produce una perturbación en uno de sus extremos, o electromagnéticas, como las de la luz, los rayos X , la radio, o las microondas.

En el caso de las ondas electromagnéticas, que también pueden propagarse en el vacío, el campo eléctrico oscila en un eje perpendicular a la dirección de propagación; el campo magnético también oscila, pero en dirección perpendicular al campo eléctrico.

Algunos fenómenos ondulatorios mecánicos, como las olas superficiales de los líquidos, son combinaciones de movimientos longitudinales y transversales más complejos, por lo cual las partículas de líquido se mueven de forma elíptica.

El movimiento ondulatorio

La transmisión de una perturbación que se propaga en el tiempo en un medio material, e incluso en el vacío, se puede producir a través de ondas.

Perturbaciones como la luz y el sonido son formas de energía que se propagan en el espacio tiempo a través de ondas.

Cuando una persona habla, vibran sus cuerdas vocales las que transmiten cierta cantidad de su energía interna al aire que rodea su garganta y su boca, y también al espacio que está más cercano a la persona. Esta perturbación se propaga y llega, por ejemplo, a los oídos de otros. Allí impacta sobre el tímpano, una membrana delgada que al vibrar a su vez, transmite la perturbación a un conjunto de huesos muy pequeños que también vibran y producen señales que son captadas finalmente por el nervio auditivo y decodificadas por el cerebro.

Si se pulsa una cuerda tensa de guitarra, se produce una perturbación que se propaga

a lo largo de la cuerda y que también se transmite a través del aire que la rodea. Cada partícula de la cuerda se encuentra en reposo hasta que es pulsada. A partir de ese instante oscila durante un cierto tiempo y luego, cuando la onda pasa, vuelve a la posición de equilibrio. El pulso se ha propagado a lo largo de la cuerda transmitiendo energía, pero no materia. Ninguna partícula de la cuerda se ha desplazado junto con el pulso.

Si se arroja una piedra en la superficie de un lago en la que flota un corcho, se produce un movimiento vibratorio en las partículas de agua alcanzadas por la piedra. Luego de un tiempo, el corcho también oscilará.

La piedra produce una perturbación sobre la superficie del agua que se propaga en forma de ondas circulares. Si la onda llega al corcho, éste oscila y cuando la onda ha pasado, el corcho retoma su posición de equilibrio sin desplazarse con la onda. La piedra transfiere cierta cantidad de energía al medio, en este caso al agua, que se propaga en forma de onda.

❚ En estos ejemplos están comprendidos diferentes tipos de ondas, pero todas ellas tienen en común que resultan de una perturbación que se propaga en el espacio y en el tiempo.

❚ Para que se originen ondas, tiene que existir un sistema emisor que oscile y transmita energía.

❚ En algunos casos, es necesario un medio material de propagación, como por ejemplo el aire, la cuerda, el agua, etc.

❚ Las ondas de luz y las radiaciones producidas por las oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos en el tiempo, se propagan en el vacío a una velocidad de 300 000 km/s.

❚ La velocidad de propagación de una determinada onda depende del tipo de onda y de las características del medio en el que se transmite la perturbación.

Definición:

Una vibración puede ser definida como un movimiento de ida y vuelta alrededor de un punto de referencia. Sin embargo, definir las características necesarias y suficientes que caracterizan un fenómeno como onda es, como mínimo, algo flexible. El término suele ser entendido intuitivamente como el transporte de perturbaciones en el espacio, donde no se considera el espacio como un todo sino como un medio en el que pueden producirse y propagarse dichas perturbaciones a través de él. En una onda, la energía de una vibración se va alejando de la fuente en forma de una perturbación que se propaga en el medio circundante (Hall, 1980: 8). Sin embargo, esta noción es problemática en casos como una onda estacionaria (por ejemplo, una onda en una cuerda bajo ciertas condiciones) donde la transferencia de energía se propaga en ambas direcciones por igual, o para ondas electromagnéticas/luminosas en el vacío, donde el concepto de medio no puede ser aplicado.