¿Qué es el principio de superposición?
Uno de los primeros hechos matemáticos que aprendemos de niños pequeños es que 1 + 1 = 2. Aprendemos a sumar. Pero los números puros no son lo único que podemos sumar. Si vierte agua en un balde que ya contiene algo de agua, el nivel del agua aumenta. Y si toma un rayo de luz y agrega un segundo rayo de luz encima del primero, obtendrá un rayo aún más brillante. Este segundo caso, en el que colocas dos cosas directamente una encima de la otra, se llama superposición.
En física, queremos comprender cómo funciona el universo. Por eso, debemos entender qué sucede cuando superpone dos cosas. Y el principio de superposición es parte de cómo explicamos lo que sucede. El principio de superposición dice que si superpone dos o más estímulos, el resultado que obtendrá será la suma de lo que hubiera obtenido de cada uno de ellos.
O en otras palabras, si coloca dos haces de luz con los brillos A y B uno encima del otro, el brillo total será A + B.
El principio de superposición se aplica a casi todas las situaciones cotidianas que involucran ondas, como las ondas de luz y sonido. Sin embargo, en algunas circunstancias físicas complicadas, por ejemplo, rayos láser, el principio no se aplica.
Interferencia de ondas
¿Sabías que también puedes agregar ondas? Ya hemos hablado de la luz y la luz es una onda. Pero puedes agregar ondas sonoras. Incluso puede agregar ondas en un slinky o spring. Y en muchos casos, las ondas se suman de acuerdo con el principio de superposición.
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Las ondas contienen picos y valles, y cuando superpone dos ondas una encima de la otra, esos picos y valles se suman. Quizás esto tendría más sentido si analizáramos un ejemplo de cómo se puede hacer eso.
Digamos que tú y un amigo están jugando con un slinky. Sostienes el slinky en cada extremo y uno de ustedes mueve el brazo hacia arriba y hacia abajo para enviar una ola a lo largo de él. La ola baja al otro extremo, rebota en la mano de tu amigo y regresa por el otro lado, hasta que finalmente se apaga.
Pero, ¿qué pasa si ambos inician una ola al mismo tiempo? Envías un saludo desde tu extremo y tu amigo envía un saludo desde su extremo. ¿Qué pasa cuando chocan en el medio?
Resulta que se atraviesan. Pero mientras pasan, las dos ondas se superponen. Cuando se superponen dos picos, se suman y se obtiene un pico más grande. Cuando se superponen dos canales, se suman y se obtiene un canal más grande. Y cuando se superponen un pico y un valle, se cancelan y no se obtiene ninguna onda.
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Es como sumar. Un pico y un pico es como sumar 1 + 1 = 2. Un valle y un valle es como sumar -1 + -1 = -2. Y un valle y un pico es como sumar -1 + 1 = 0.
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Ondas estacionarias
Si usted y su amigo siguen enviando ondas por el slinky una y otra vez, y mueven el brazo hacia arriba y hacia abajo lo suficientemente rápido, puede obtener algo llamado onda estacionaria.
Aquí es donde dos ondas que van en direcciones opuestas interfieren entre sí de manera consistente. Crea un patrón que se parece a esto:
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Una onda estacionaria es una vibración de un sistema donde algunos puntos permanecen fijos, mientras que otros vibran con la máxima amplitud. Parece que partes del slinky se mueven hacia arriba y hacia abajo. Pero realmente HAY dos olas. Simplemente están interfiriendo en formas que crean este patrón interesante.
Las ondas estacionarias son importantes, porque sin ellas no tendríamos música. Siempre que tocas una nota en una guitarra, estás creando una onda estacionaria en la cuerda. Y cada vez que soplas en una flauta, estás creando una onda estacionaria en el aire dentro de la flauta. Entonces, cada vez que escuche música hermosa, puede agradecer el principio de superposición.
Resumen de la lección
El principio de superposición dice que si superpone dos o más estímulos, el resultado que obtendrá será la suma de lo que hubiera obtenido de cada uno de ellos. Significa que si pones dos cosas una encima de la otra, se sumarán como 1 + 1 = 2. Pero solo funciona en determinadas circunstancias.
De esta forma se pueden sumar ondas como la luz y el sonido. Si pones dos haces de luz uno encima del otro, obtienes un haz más brillante. Y si reproduce dos sonidos uno encima del otro, obtendrá un sonido más fuerte.
Se puede usar un slinky para ver el principio de superposición en acción. Al enviar ondas desde los extremos de un slinky, es posible que notes ciertos patrones. Cuando dos picos están uno encima del otro, obtienes un pico aún mayor. Cuando dos comederos están uno encima del otro, se obtiene un canal aún más grande. Y un pico y un valle superpuestos se cancelan en nada.
Cuando envías ondas continuamente desde ambos extremos de un slinky, puedes crear una onda estacionaria. Una onda estacionaria es una vibración de un sistema donde algunos puntos permanecen fijos, mientras que otros vibran con la máxima amplitud. Ocurre porque las dos ondas interfieren entre sí de una manera que sigue el principio de superposición. Cada nota musical que escuchamos es creada por una onda estacionaria.
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