Haciendo olas
Probemos un pequeño experimento que puedes hacer tú mismo en casa. Todo lo que necesita es algo lleno de agua, como un balde o un fregadero. Pon la punta de tu dedo en el agua y verás que se forman ondas: pequeñas ondas.
Nuestro mini-experimento consistirá en introducir dos dedos, uno de cada mano. ¿Qué crees que pasará cuando las ondas se golpeen entre sí? Puede ver que las ondas se atraviesan entre sí, aparentemente sin afectarse entre sí. Bueno, así es como se ve a nuestros ojos, pero no es el caso. Durante el breve momento en que las ondas se tocan, hay un efecto, y luego vuelven a la normalidad una vez que se atraviesan.
En esta lección, aprenderemos cómo las ondas que interactúan entre sí pueden afectarse entre sí. Observaremos ondas sinusoidales y veremos cómo su interacción puede crear ondas complejas.
Ondas sinusoidales
Antes de comenzar a ver cómo interactúan las ondas sinusoidales entre sí, debemos aprender qué significa que una onda sea sinusoidal. Esencialmente, una onda sinusoidal es cualquier onda cuyo gráfico toma la forma de una onda sinusoidal.
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Una función de onda como la de la imagen de arriba tiene varias propiedades, pero para esta lección nos centraremos en tres de ellas. El primero es la amplitud de la onda , que es la altura de los picos y valles de la onda. La segunda es la fase de la onda , que es la distancia desde el origen del gráfico hasta la primera vez que cruza el eje. Finalmente, el tercero es la frecuencia de la onda , que es el número de ondas que pasan por un punto durante un período de tiempo.
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Superposición
Ahora que sabemos qué es una onda sinusoidal, ¿qué sucede cuando dos o más de ellas interactúan entre sí? Cuando las ondas entran en contacto entre sí, crean temporalmente una nueva onda resultante.
El desplazamiento de la onda resultante en cualquier punto del gráfico estará determinado por los desplazamientos de las ondas que la crearon. En general, un desplazamiento es una medida del cambio en la posición inicial de un objeto. Por ejemplo, el desplazamiento de una ola de agua es el cambio de altura en el agua desde donde estaba el agua antes de que la ola la atravesara.
El desplazamiento de una onda resultante siempre es igual a la suma de los desplazamientos de las ondas que la crearon. A esto lo llamamos principio de superposición , y al acto de interacción de la onda lo llamamos interferencia . Para entender cómo funciona todo esto, veamos una imagen de ondas superpuestas.
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Si compara el desplazamiento de la onda roja resultante con las ondas verde y azul que interfieren, puede ver que es la suma de las dos. Al cambiar la amplitud de las ondas iniciales, podemos cambiar el desplazamiento de la onda resultante.
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Ondas complejas
Hasta ahora, nuestras dos ondas interferentes se han alineado perfectamente entre sí. Este no es siempre el caso, y cuando no se alinean podemos terminar con la formación de ondas más complejas.
Fase variable
Ahora, la pregunta es ¿qué haría que las ondas iniciales no se alinearan perfectamente? Tener aspectos de las ondas iniciales diferentes a la amplitud puede hacer que las ondas iniciales dejen de alinearse. Un ejemplo de esto es cuando tenemos ondas con fases variables.
Antes de entrar en la superposición de ondas con diferentes fases, necesitamos entender algo llamado magnitud. Para encontrar la magnitud de un desplazamiento, necesitamos encontrar su tamaño ignorando su dirección. Dado que nuestro desplazamiento en este caso está en una dimensión, vertical en los gráficos, denotamos la dirección usando un signo negativo. Si el desplazamiento tiene signo negativo, significa que está en la dirección opuesta a un desplazamiento con signo positivo. Para encontrar la magnitud del desplazamiento, su tamaño sin la dirección, tomamos su valor absoluto.
Cuando la única diferencia entre las ondas interferentes es su amplitud, la magnitud del desplazamiento de la onda resultante en cualquier punto del gráfico es siempre mayor o igual que la magnitud del desplazamiento de cualquier onda inicial. Una vez que comenzamos a cambiar su fase, esto ya no está garantizado. Cuando los picos y valles de las ondas interferentes ya no se alinean, puede encontrar lugares donde la magnitud de la onda resultante sea menor que la magnitud de una de las ondas interferentes.
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Frecuencia variable
Cuando cambiamos la amplitud o fase de una onda de interferencia, nuestra onda resultante todavía tiene una forma de onda sinusoidal estándar. Sin embargo, cuando superponemos ondas con diferentes frecuencias, podemos obtener formas de onda complejas y a veces desordenadas.
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Aún así, no todas las superposiciones de ondas con frecuencias variables parecen tan inconexas. Un ejemplo de esto es un latido, que ocurre cuando tiene ondas interferentes con solo una ligera diferencia en la frecuencia.
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Variando todo
Hasta este punto, solo hemos tenido dos ondas interfiriendo entre sí, y solo hemos cambiado un aspecto de las ondas interferentes a la vez. Superponiendo múltiples ondas y variando su amplitud, fase y frecuencia juntas, podemos obtener ondas aún más complejas.
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Resumen de la lección
Cuando las ondas están en contacto entre sí, crean una onda resultante cuyo desplazamiento es igual a la suma de los desplazamientos de las ondas que la crearon. A esto se le llama principio de superposición , y mientras las ondas iniciales interactúan, decimos que están creando interferencia de ondas .
En esta lección, nos enfocamos en las ondas sinusoidales que interfieren, que son ondas cuya gráfica es la de la función seno. Las ondas sinusoidales con distintas amplitudes, fases y frecuencias que interactúan entre sí crean ondas más complejas.
Cuando variamos las amplitudes de las ondas iniciales , la altura de los picos y valles de una onda, cambia el desplazamiento de la onda resultante.
Si cambiamos las fases de las ondas iniciales , la distancia desde el origen de la onda hasta donde primero cruza el eje, permite que la onda resultante tenga puntos en el gráfico donde la magnitud de su desplazamiento es menor que una de las ondas interferentes.
Para que la onda resultante ya no tenga una forma de onda sinusoidal estándar, variamos las frecuencias de las ondas iniciales , que es el número de ondas que pasan por un punto durante un período de tiempo conocido.
Finalmente, cuando variamos varias de estas propiedades de onda al mismo tiempo, podemos obtener ondas aún más complejas.
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