Propagación de Ondas: Definición, velocidad y dirección

¿Qué es la propagación de ondas?

El término «ola» se asocia comúnmente con el agua, como cuando el agua de mar se mueve hacia la orilla o cuando se forman ondas concéntricas cuando se arroja un guijarro sobre una superficie de agua tranquila. Las ondas también se forman cuando un extremo de la cuerda se mueve hacia arriba y hacia abajo, o cuando un slinky se mueve hacia la izquierda y hacia la derecha. Los terremotos también producen ondas sísmicas que viajan por todo el interior de la Tierra e incluso pueden llegar a la superficie. Todos estos ejemplos de ondas tienen una cosa en común: las vibraciones. Las vibraciones son la fuente de las ondas. En esta lección, aprenderá más sobre las ondas, la física de propagación y los factores que afectan la velocidad de las ondas.

Las ondas son perturbaciones o vibraciones que se desplazan de un punto a otro. Todas las ondas transportan energía mientras se mueven. Por ejemplo, la energía del viento es transportada por las olas del agua hasta la orilla. La perturbación del guijarro cuando golpea la superficie del agua se manifiesta por ondas concéntricas. La vibración de las partículas en el aire produce ondas sonoras y la vibración de partículas cargadas, como los electrones, genera ondas electromagnéticas.

En física, la propagación de ondas es un término utilizado para describir la forma en que las ondas viajan o se mueven. Sin la propagación de ondas, los fenómenos que involucran ondas, sonido y luz no serán posibles. El sonido no se producirá sin la vibración de las partículas del aire, por ejemplo. La luz y otras partes de las ondas electromagnéticas no se producirán sin la vibración de partículas cargadas.

Velocidad de propagación de ondas

Todas las ondas tienen las siguientes propiedades comunes: frecuencia, amplitud, longitud de onda y velocidad. La frecuencia se refiere al número de ondas que pasan por un punto fijo por intervalo de tiempo. La amplitud se refiere al desplazamiento máximo de un punto de la onda desde la posición de equilibrio. La longitud de onda, por otro lado, se refiere a la distancia entre crestas o valles sucesivos en una onda. El punto más alto de una onda es la cresta, mientras que el punto más bajo de una onda es el valle. La frecuencia y la longitud de onda están inversamente relacionadas entre sí. Las ondas de alta frecuencia tienen longitudes de onda más cortas, mientras que las ondas de baja frecuencia se componen de longitudes de onda más largas.

Las ondas viajan a través de un medio a una velocidad específica. La velocidad de propagación de la onda cuantifica qué tan rápido viaja la onda y viene dada por {eq}v=f\lambda {/eq}, donde v es la velocidad de la onda en metros por segundo (m/s), f es la frecuencia en hercios ( Hz o 1/s), y {eq}\lambda {/eq} es la longitud de onda en metros (m). Las ondas electromagnéticas, como la luz visible, tienen una velocidad constante de 3,0 {eq}\times {/eq} 10{eq}^8 {/eq} m/s en el vacío. Las ondas sonoras viajan a una velocidad de 343 m/ s en aire seco a una temperatura de 20{eq}^\circ {/eq}C.

Medio de propagación de ondas

Las ondas viajan a través de un medio, que actúa como portador de energía. Estos medios pueden ser sólidos, líquidos o gases. Sin embargo, no todas las ondas necesitan un medio para propagarse o viajar. Las ondas mecánicas son vibraciones o perturbaciones que requieren un medio para propagarse. Las ondas de agua, las ondas sonoras y las ondas en una cuerda son ejemplos de ondas mecánicas. La velocidad de propagación de las ondas mecánicas depende de las propiedades del medio de propagación de las ondas, que se analizarán en la siguiente sección en «Factores que afectan la velocidad de propagación de las ondas».

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio para propagarse. Estas ondas (p. ej., ondas de radio, luz visible y rayos X) pueden viajar en el vacío pero también pueden atravesar un medio, si es necesario. Cuando una onda electromagnética viaja a través de un medio, su velocidad de propagación de la onda también se ve afectada por las propiedades del medio. en general, cuanto mayor es la densidad óptica del medio, más lenta es la velocidad de las ondas electromagnéticas (por ejemplo, la luz). Por ejemplo, la luz visible se ralentiza a medida que pasa del aire al vidrio, lo que permite que se produzca la refracción o desviación de la luz.

Factores que afectan la velocidad de propagación de las olas

Aparte del efecto de la variación de la frecuencia y la longitud de onda, la velocidad de propagación de la mayoría de las ondas está influenciada por las propiedades del medio. Los factores que afectan la velocidad de propagación de las ondas incluyen la tensión, la densidad, la rigidez y la temperatura.

• La velocidad de una onda transversal en una cuerda se ve afectada por la tensión en la cuerda y su masa por unidad de longitud. Cuanto mayor sea la tensión en la cuerda, mayor será la velocidad ya que cada parte de la cuerda está más cerca de la otra. Por el contrario, cuanto mayor es la masa de la cuerda por unidad de longitud, mayor es su resistencia a los cambios de movimiento y más difícil es que la onda se propague.
• Las ondas sonoras se ven afectadas por la rigidez del medio. La rigidez se refiere a la propiedad del material de mantener su forma cuando se le aplica fuerza. Cuando los materiales son rígidos, sus partículas regresan rápidamente a sus posiciones originales y vibran a velocidades más altas. Es la razón por la que las ondas sonoras viajan más rápido en materiales rígidos como el acero que en el caucho. Las ondas sonoras también viajan más rápido en los sólidos que en los líquidos o gases debido a la rigidez del sólido.
• La velocidad de propagación de las ondas del sonido también varía con la densidad del medio. La densidad describe qué tan compacto es el material y se cuantifica en masa por unidad de volumen. Las ondas sonoras viajan más lentamente en materiales más densos. Esto se debe a que los materiales de alta densidad generalmente tienen moléculas más grandes, lo que les dificulta vibrar en comparación con las moléculas más pequeñas.
• Por último, la temperatura también afecta a la velocidad del sonido. Dado que el sonido se produce a partir de la vibración de partículas, una temperatura más alta hace que las moléculas del material vibren más rápido, lo que permite que el sonido viaje más rápido. Las ondas sonoras viajan más lentamente (331 m/s) en el aire a temperaturas bajo cero que en aire seco a 20{eq}^\circ {/eq}C (343 m/s).

Dirección de propagación de las ondas

Las ondas se dividen en dos tipos según la dirección de propagación de las ondas: ondas transversales y longitudinales. Una onda transversal se caracteriza por la vibración de partículas perpendiculares a la dirección de propagación. Como se muestra en la figura de una onda transversal, una partícula se mueve hacia arriba y hacia abajo mientras la onda misma se mueve hacia la derecha. Uno de los mejores ejemplos de onda transversal son las ondas electromagnéticas. Las ondas electromagnéticas están compuestas de campos eléctricos y magnéticos que se mueven perpendicularmente entre sí. Incluye todas las ondas del espectro electromagnético: ondas de radio, microondas, infrarrojas, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Otro ejemplo de ondas electromagnéticas son las ondas S u ondas secundarias, uno de los tipos de ondas sísmicas que se producen durante un terremoto.

Las ondas longitudinales se forman cuando la vibración de la partícula en el medio es paralela a la dirección de propagación de la onda. El diagrama de una onda longitudinal muestra el movimiento hacia la izquierda y hacia la derecha de la partícula mientras la onda se propaga hacia la derecha. Las ondas sonoras son ejemplos de ondas longitudinales, producidas a partir de las vibraciones de una fuente. Estas vibraciones luego se transfieren a través de las compresiones y rarefacciones de partículas de aire o partículas de cualquier medio. A diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas sonoras siempre necesitan un medio para propagarse.

Resumen de la lección

Una onda es una vibración o perturbación que viaja de un punto a otro y transporta energía. El término propagación de ondas se refiere al movimiento de las olas. Todas las ondas tienen frecuencia, amplitud, longitud de onda y velocidad de onda. La velocidad de propagación de la onda cuantifica la velocidad a la que viaja la onda. Se determina usando {eq}v=f\lambda {/eq}, donde v es la velocidad de onda en metros por segundo (m/s), f es la frecuencia en hercios (Hz o 1/s) y {eq }\lambda {/eq} es la longitud de onda en metros (m). Varios factores afectan la velocidad de las olas, incluida la tensión, la rigidez, la densidad y la temperatura. En una cuerda, por ejemplo, la tensión del material y la masa de la cuerda por unidad de longitud influyen en la velocidad de la onda. En las ondas sonoras, la rigidez y densidad del medio afectan en gran medida su velocidad. Las ondas sonoras viajan más rápido en materiales con mayor rigidez y menor densidad. Por último, la temperatura también afecta a la velocidad del sonido. Una temperatura más alta da como resultado velocidades de sonido más rápidas.

Una forma de categorizar las ondas es según la presencia o ausencia de un medio para que se propaguen. Las ondas mecánicas, como las ondas sonoras, requieren de un medio para propagarse, mientras que las ondas electromagnéticas pueden propagarse con o sin medio. Las ondas también se clasifican en dos categorías según la dirección de propagación: ondas transversales y longitudinales. Las ondas transversales se caracterizan por la vibración de una partícula perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales, en cambio, se producen cuando la vibración de la partícula es paralela a la dirección de propagación de la onda.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador