Física

Ondas

Lo esencial

Una onda transporta energía, no materia.
Clasificación: mecánicas o electromagnéticas; transversales o longitudinales.
Elementos: amplitud, longitud de onda, periodo y frecuencia, y la relación $v = \lambda f$ .
El sonido: onda mecánica longitudinal; no viaja en el vacío.
Fenómenos: reflexión, refracción, difracción, interferencia y efecto Doppler.

Clasificación y elementos

Criterio	Tipo	Ejemplos
Medio	Mecánicas: necesitan un medio	sonido, olas, ondas sísmicas
	Electromagnéticas: viajan en el vacío	luz, radio, rayos X
Vibración	Transversales: perpendicular a la propagación	cuerda de guitarra, luz
	Longitudinales: paralela a la propagación	sonido, resorte comprimido

Elementos de una onda periódica:

Amplitud $A$ : máximo desplazamiento desde el equilibrio; se relaciona con la energía (en el sonido, con la intensidad o "volumen").
Longitud de onda $\lambda$ : distancia entre dos crestas consecutivas.
Periodo $T$ : tiempo de una oscilación completa (s).
Frecuencia $f = \frac{1}{T}$ : oscilaciones por segundo, en hertz (Hz).

La ecuación fundamental es

$v = \lambda f = \frac{\lambda}{T}$

La rapidez depende del medio, no de la fuente. Cuando una onda cambia de medio, su frecuencia se mantiene y cambian su rapidez y su longitud de onda.

El sonido

El sonido es una onda mecánica longitudinal formada por compresiones y rarefacciones del medio. En el aire a unos 20 °C viaja a cerca de 343 m/s (el examen suele usar 340 m/s); en el agua y en los sólidos va más rápido. En el vacío no se propaga.

Cualidades del sonido:

Tono (agudo o grave): depende de la frecuencia.
Intensidad (fuerte o débil): depende de la amplitud; se mide en decibeles (dB).
Timbre: depende de la forma de la onda; permite distinguir un violín de una flauta que tocan la misma nota.

El oído humano percibe aproximadamente de 20 Hz a 20 000 Hz. Por debajo está el infrasonido y por encima el ultrasonido, que se usa en ecografías.

Fenómenos ondulatorios

Reflexión: la onda rebota en una superficie; el eco es sonido reflejado.
Refracción: cambio de dirección al pasar a otro medio, por el cambio de rapidez.
Difracción: la onda rodea obstáculos o se abre al pasar por una rendija; es notable cuando la abertura es parecida a $\lambda$ . Por eso oyes a alguien detrás de una pared.
Interferencia: dos ondas se superponen; es constructiva si coinciden crestas con crestas y destructiva si crestas con valles.
Resonancia: un sistema vibra con gran amplitud cuando se le excita en su frecuencia natural.
Efecto Doppler: si la fuente se acerca, percibes una frecuencia mayor (más agudo); si se aleja, menor. Ocurre con la sirena de una ambulancia.

El espectro electromagnético, de menor a mayor frecuencia: ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Todas viajan en el vacío a $c = 3 \times 10^8$ m/s; a mayor frecuencia, menor longitud de onda y mayor energía.

Ejemplo resuelto

1. Una estación de radio de FM transmite a 100 MHz. ¿Cuál es la longitud de onda de su señal? ( $c = 3 \times 10^8$ m/s)

a) 0.3 m b) 3 m c) 30 m d) 300 m

Solución.

$f = 100 \text{ MHz} = 1 \times 10^8$ Hz.
$\lambda = \frac{c}{f} = \frac{3 \times 10^8}{1 \times 10^8} = 3$ m.

Respuesta: b.

2. Una persona grita frente a un acantilado y escucha el eco 2 s después. Si el sonido viaja a 340 m/s, ¿a qué distancia está el acantilado?

a) 170 m b) 340 m c) 680 m d) 1 360 m

Solución.

En 2 s el sonido recorre $d = vt = 340 \times 2 = 680$ m.
Ese recorrido es de ida y vuelta, así que la distancia al acantilado es la mitad: 340 m.

Respuesta: b. La opción c olvida dividir entre dos.

Errores comunes

Creer que la onda arrastra materia; las partículas solo oscilan alrededor de su posición.
Decir que el sonido viaja en el espacio exterior.
Pensar que al cambiar de medio cambia la frecuencia; cambian la rapidez y $\lambda$ .
Confundir tono (frecuencia) con intensidad (amplitud).
Olvidar que en el eco el sonido recorre dos veces la distancia.

Para recordar

$v = \lambda f$ y $f = 1/T$ .
Sonido: mecánico y longitudinal, unos 340 m/s en el aire.
La luz y las demás ondas electromagnéticas son transversales y viajan a $3 \times 10^8$ m/s en el vacío.
Fuente que se acerca → frecuencia percibida mayor (Doppler).

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