Las ondas, su clasificación y sus características

Considero importante extenderme algo sobre este tema de las ondas, porque veremos que conceptos de la mecánica ondulatoria están íntimamente ligados a la física cuántica. Un autor señala que usar a las ondas ordinarias en formas o maneras inusuales es el secreto de la teoría cuántica. Todas las ondas, no importa cuan exóticas sean, están construidas con un mismo plan y toman sus ordenes del mismo libro, de allí que las ondas cuánticas seguirán las mismas reglas que las ondas en general. Ahora bien, que conocemos de las ondas ordinarias. La mayoría de las personas ha tenido experiencia con las ondas, por ejemplo al arrojar una piedra en un tanque de agua se forman ondas; si ponemos un corcho veremos que el mismo se mueve hacia arriba y hacia abajo pero que no se traslada en la dirección que vemos se trasladan las ondas, como círculos que se abren desde el centro donde cayó la piedra. Estas ondas acuáticas constituyen un ejemplo de una amplia variedad de fenómenos físicos que presentan características análogas a las ondas. El mundo está lleno de ondas: ondas sonoras, mecánicas, tales como la onda que se propaga en una cuerda de una guitarra, ondas sísmicas que pueden transformarse en terremotos, ondas de choque que se producen cuando por ejemplo un avión supera la velocidad del sonido, es como un estampido y otras ondas más particulares porque no son tan fácilmente captadas con los sentidos o no es tan sencillo interpretar su origen; son las ondas electromagnéticas. Entre estas están la luz visible, las ondas de radio, las señales de TV, los rayos X; muchas de las cuales permiten el funcionamiento de algunos adminículos por todos conocidos: el control de canales de TV para hacer zapping, los TE celulares, Direct TV, internet por aire. 

El concepto de onda es abstracto, aquellas ondas que viajan en un medio material se denominan ondas mecánicas. Cuando se observa lo que denominamos una onda en el agua, lo que en realidad se contempla es una nueva disposición de la superficie del agua, sin la presencia del agua no existiría onda alguna. Si fijamos el extremo de una cuerda y movemos el otro extremo hacia arriba y hacia abajo, vemos como a lo largo de la cuerda se mueve una onda. Si no existiera la cuerda no existiría la onda. Las ondas sonoras viajan por el aire como un resultado de las variaciones de presión en el aire de punto a punto. En todos los casos, lo que se interpreta como una onda corresponde a la perturbación de un cuerpo o un medio. En consecuencia una onda puede considerarse como el movimiento de una perturbación. El movimiento de la perturbación- el estado del medio o la onda en sí misma- no debe confundirse con el movimiento de las partículas. En el caso particular de las ondas mecánicas, estas requieren para su existencia de una fuente de perturbación (la piedra que arrojo al agua), un medio que pueda ser perturbado (agua, aire) y alguna conexión física o mecanismo mediante el cual las porciones adyacentes del medio – las que están en contacto- ejerzan influencia entre sí. En el caso de las ondas electromagnéticas, durante muchos años, no se tenía claro cual era el medio que se perturbaba, es así que se hablaba del éter como medio de transferencia de estas ondas. Hoy en día se sabe que esto del éter no es así y que las ondas llamadas electromagnéticas, no necesitan de ningún medio, es decir se pueden propagar a través del espacio vacío. 

El estudio de las ondas se hace sobre una representación gráfica de la misma que es la forma de la función senoidal o seno: 

y= f(x)= Asen(x+j), ya veremos su significado, el cual es bastante simple para aquellos con ciertos conocimientos de trigonometría. Si bien no todas las ondas siguen esta función, un teorema muy importante de un matemático llamado Fourier, demostró que: cualquier onda puede ser descompuesta como una suma única de ondas componentes senoidales. Este teorema además de facilitar el estudio profundo de la mecánica ondulatoria, permite también para aquellos que no queremos profundizar tanto, representarnos gráficamente con facilidad lo que es una onda, dado que la función seno o senoidal es la que se forma en una cuerda cuando, movemos sus extremos hacia arriba y abajo repetidamente. 

Veamos ahora algunos conceptos físicos que se utilizan para caracterizar a las ondas: 

§ La longitud de onda (l) es la distancia entre dos puntos idénticos de la onda, por ejemplo entre dos crestas consecutivas en el agua (tiene unidades de distancia: mm, cm, m, etc.) 

§ La máxima altura de la onda se denomina amplitud y también se mide en unidades de distancia. 

§ El período es el tiempo T que tarda la onda en recorrer un ciclo, es decir en volver a la posición inicial, por ejemplo de una cresta a la cresta siguiente. 

§ La frecuencia es lo que mide el número de veces / ciclos que un punto de la superficie sube y baja en un segundo (unidades de ciclos o veces por segundo, es decir unidades de la inversa del tiempo), en otras palabras la frecuencia es la rapidez con la cual la perturbación se repite por sí misma. La frecuencia es la inversa del período T; f= 1 / T. 

§ La velocidad de propagación de la onda. Dado que velocidad es espacio dividido el tiempo en que se recorrió dicho espacio, en nuestro caso podemos expresarlo como Longitud de onda / Período, y como la inversa del período (1/T) es la frecuencia, entonces tenemos que: v = l.f. Esta dependerá de las propiedades del medio que experimenta la perturbación. Por ejemplo las ondas sonoras se propagan en el aire a una velocidad menor que a través de los sólidos. Las ondas electromagnéticas que se propagan en el vacío, es decir que no requieren medio que se perturbe para propagarse, lo hacen una velocidad muy alta de 300.000 Km. / seg (la velocidad de la luz que se la denomina c). 

§ El ángulo de fase j, si bien es más complejo decir que es, es sencillo entender su significado. Cada punto de una onda posee una fase definida que indica cuanto ha progresado o avanzado dicho punto a través del ciclo básico de la onda. Escuchamos la idea de fases de la luna, que indica justamente donde está la luna respecto a su ciclo el cual se repite siempre (por eso es ciclo). Las fases de las ondas son las que gobiernan lo que ocurre cuando dos o mas ondas se encuentran. Si dos ondas en el agua se cruzan, puede ocurrir que cuando una este en la cresta máxima, la otra este en la mínima, y como consecuencia de esto se aplaca el movimiento en el lugar de cruce de ambas, es decir el máximo cancela al mínimo. Esta superposición de ondas se da así porque ambas ondas que se encontraron estaban fuera de fase, es decir tenían diferentes ángulos de fase, estaban desfasadas. Es la diferencia de fase entre ondas que se superponen lo que produce el fenómeno de interferencia, que posteriormente veremos como uno de los primeros problemas extraños de la física clásica: la doble naturaleza de la luz onda-partícula. 

§ La polarización. Este concepto explica en qué dirección se desplaza el medio. Así decimos que si el medio se desplaza perpendicularmente a la dirección de la onda, tenemos una onda polarizada transversalmente. Tal como se explica en el caso de ondas transversales, una onda puede tener infinitas polarizaciones, dado que son infinitos los planos que contienen a la recta que marca la dirección del movimiento de la onda. El fenómeno de la polarización es el que comprobamos cuando usamos anteojos negros. Los mismos contienen alguna sustancia que actúa como filtro, no dejando pasar determinadas direcciones de propagación, eliminando así los reflejos o el encandilamiento. 

Como decíamos una de las formas más simples de demostrar el movimiento ondulatorio es al sacudir uno de los extremos de una cuerda larga que está sujeta en el otro extremo y en tensión. Al hacer esto se observará una protuberancia en la cuerda, llamada pulso, que viaja hacia el otro extremo con una rapidez definida, esta se denomina onda viajera, la cuerda es el medio por donde viaja la onda y se supone que el pulso ondulatorio no cambiará cuando viaja a lo largo de la cuerda. A medida que el pulso avanza, cada parte de la cuerda que es perturbada se mueve hacia arriba y hacia abajo, es decir en dirección perpendicular a la dirección del movimiento de la onda, esta característica es lo que define a las ondas llamadas transversales: el medio se mueve perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Cuando el medio se mueve en dirección paralela a la de propagación de la onda, estas se denominan ondas longitudinales, es el caso de las ondas sonoras. Algunas ondas en la naturaleza son una combinación de ambos tipos. 

Todas las ondas transportan energía consigo misma en la dirección de su movimiento, pero no transportan materia. Es decir, la propagación de las ondas es un mecanismo que permite transportar energía entre dos puntos separados en el espacio- que es la capacidad de realizar un trabajo, por ejemplo cambiar de canal en la TV – sin alterar físicamente el material a través del cual se hace el transporte o transmisión. Es esta característica notable pero poco conocida o bien a la que no se da importancia, lo que le da a las ondas tanta importancia dentro de nuestras vidas. Se demuestra matemáticamente que la potencia transmitida por las ondas, esto es la energía o capacidad de realizar trabajo por unidad de tiempo, es proporcional a la velocidad de propagación de la onda, al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia. 

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