Principio de Superposición de Ondas: Definición y ejemplos

¿Qué es la superposición?

Superposición: la palabra en sí misma hace que la gente piense científicamente, pero también tiene otros significados. Lo primero que nos viene a la mente cuando pensamos en superposición es la mezcla de ondas. Entonces, ¿qué es la superposición?

La definición real de superposición es el acto u operación que implica colocar una cosa sobre otra o encima de otra. Las cosas involucradas aquí pueden ser rayos de luz, ondas sonoras, ondas de agua, vibraciones en una cuerda y objetos diminutos que vibran. En notación matemática, la ecuación que combina las soluciones de dos o más ecuaciones se llama ecuación de superposición. La comprensión de la superposición de una manera en la que se superponen objetos diminutos como electrones y fotones da lugar a otro fenómeno llamado superposición cuántica. Un electrón en superposición cuántica puede tener dos velocidades diferentes o puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Ésta es la ventaja de tener unas dimensiones mucho más pequeñas. En la superposición cuántica, cada estado cuántico es la suma de dos o más estados cuánticos distintos. Esto significa que un único estado cuántico puede expresarse como dos o más estados cuánticos, cada uno de los cuales tiene un estado individual. A continuación se muestra una descripción detallada de la física de la superposición.

¿Cuál es el principio de superposición en física?

Para todos los sistemas lineales, el principio de superposición establece que la respuesta neta causada por dos o más estímulos es la suma de las respuestas que habrían sido causadas por cada estímulo individualmente.

El principio de superposición de ondas, también llamado propiedad de superposición, establece que cuando dos o más ondas pasan simultáneamente por un punto, la perturbación en ese punto viene dada por la suma de las perturbaciones que cada onda produciría en ausencia de las otras ondas.

Supongamos que las perturbaciones causadas por ondas individuales son los desplazamientos representados por los vectores de desplazamiento. Si {eq}y_1, y_2, y_3,… {/eq} son los vectores de desplazamiento debidos a las ondas {eq}1, 2, 3,… {/eq} que actúan por separado, entonces estos desplazamientos al superponerse dan la desplazamiento resultante {eq}y {/eq} en cualquier punto del medio dado por,

{eq}y = y_1 + y_2 + y_3 +… {/eq}

El principio de superposición de ondas se aplica a todo tipo de ondas y también es útil en el estudio de ondas sonoras, ondas electromagnéticas y física cuántica, pero se mantiene siempre que las amplitudes de las ondas no sean muy grandes.

¿Cómo se aplica la superposición a las ondas?

Hay dos tipos de ondas: longitudinales y transversales. Como se indicó anteriormente, el principio de superposición se aplica a todo tipo de ondas. Las ondas sonoras son ondas longitudinales mecánicas, mientras que las ondas luminosas son ondas transversales no mecánicas. Las ondas longitudinales son las vibraciones paralelas a la dirección de propagación de la onda, mientras que las ondas transversales son las vibraciones sinusoidales en el espacio y el tiempo.

En las ondas sonoras, existen compresiones y rarefacciones que hablan de las perturbaciones de las partículas provocadas en el medio. Según el principio de superposición, cuando dos o más ondas sonoras se encuentran en un punto, el desplazamiento en ese punto es igual a la suma de los desplazamientos de las ondas sonoras individuales. En este caso, cuando estas ondas pasan por la misma región simultáneamente, se produce una interferencia de las ondas, y se consideran ondas superpuestas. En la superposición de ondas, cada onda contribuye a la perturbación. Dependiendo de los desplazamientos o perturbaciones que producen se producen dos tipos de interferencias: interferencias constructivas e interferencias destructivas.

Para la superposición de sonido, cuando la compresión de una onda de sonido coincide con la compresión de otra onda de sonido, se produce una interferencia constructiva. Y cuando la compresión de una onda coincide con la rarefacción de otra onda, se produce una interferencia destructiva. Esto se conoce como superposición de sonidos.

De manera similar, para las ondas luminosas o electromagnéticas, cuando el pico de una onda coincide con el pico de otra onda interferente, se produce una interferencia constructiva. Y cuando el pico de una onda coincide con el valle de otras ondas interferentes, se produce una interferencia destructiva.

¿Cómo funcionan las ondas superpuestas en la vida real?

Al pensar en la superposición de ondas, el primer ejemplo que se nos ocurre son los patrones de interferencia obtenidos cuando la luz pasa a través de dos rendijas. Pero hay muchos más ejemplos en el día a día. En el laboratorio de física, el experimento de interferencia tiene dos rendijas que actúan como fuente de ondas secundarias que difunden la luz como ondas semicirculares, y cuando estas ondas secundarias interfieren en un punto, se obtiene un patrón de interferencia en la pantalla que comprende oscuridad y regiones brillantes.

Aparte de esto, algunas ondas oscilan en el tiempo, pero su amplitud máxima no se mueve en el espacio. Este tipo de ondas se denominan ondas estacionarias. En las ondas estacionarias, la superposición de dos ondas genera vibraciones en el medio que produce el sonido, y este es el caso de todo tipo de instrumentos musicales de cuerda.

La palabra «cantante de baño» es muy familiar. La mayoría de las personas dicen esto a menudo y también experimentan que cuando cantan en el baño, su voz es tan buena como la del cantante que graba en el estudio de música. Esto se debe a la superposición de ondas sonoras en la interferencia constructiva. Las paredes del baño son compactas y cuando alguien canta, crea ondas sonoras en el aire que golpean las paredes y rebotan. Varias ondas, después de rebotar en las paredes, interfieren con las nuevas ondas sonoras y producen un sonido agradable que hace que la gente se sienta como un cantante en reproducción.

En el campo de la acústica, la superposición de ondas sonoras juega un papel vital. Muchas salas de música o de conciertos están diseñadas de tal manera que los sonidos que rebotan en las paredes interfieren de forma constructiva. La interferencia destructiva del sonido también se puede utilizar para reducir el sonido en una habitación. Estas habitaciones se denominan habitaciones insonorizadas.

Resumen de la lección

La superposición tiene un significado diferente en diferentes aspectos. Particularmente, es la acción de colocar una cosa sobre o encima de otra. El principio de superposición de ondas da la idea de sumar o anular ondas que producen un resultado que depende de las ondas individuales. Cuando la compresión cae sobre la compresión (sonido) o el pico cae sobre el pico (luz), se obtiene interferencia constructiva. Cuando la compresión cae en la rarefacción (sonido) o el pico cae en el valle (luz), se obtiene interferencia destructiva. La resultante de ondas después de combinar dos o más ondas, u ondas superpuestas, se llama onda resultante. Patrones de interferencia en una pantalla debido a dos rendijas, sonidos de instrumentos musicales de cuerda, cantos como cantantes en el baño y auditorios o salas de música diseñados acústicamente son algunos de los ejemplos reales de superposición de ondas.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador