Hagamos un experimento sencillo: ubícate en una habitación (pero, no delante de la puerta) y llama a alguien para que se ponga en la otra habitación. Deja la puerta abierta, y que la persona que está delante de la columna intente pasarte directamente algo físico, como una pelota. ¿Puede? A no ser que tenga algún tipo de superpoder alguno de los dos, las paredes no permitirán que el objeto pase. Sin embargo, si le pides que intente decirte algo con un grito, seguro lo escuchas? Esto ocurre gracias al fenómeno de la difracción.
¿Qué es la difracción?
La difracción es un fenómeno que afecta a las ondas cuando encuentran un objeto o una abertura en su camino de propagación. La forma en que su propagación se ve afectada por el objeto o la abertura depende de las dimensiones del obstáculo.
En función del tipo de ondas que estemos estudiando, veremos que la difracción se causa de distintas formas. ¡Veamos cómo!
Difracción en ondas mecánicas
En primer lugar, vamos a estudiar la difracción para ondas mecánicas; después extrapolaremos este comportamiento a ondas de luz y ondas sonoras —ya que esencialmente será lo mismo, solo que con algunas pequeñas peculiaridades—. Cuando una onda (ya sea mecánica o de otro tipo), se propaga a través de un objeto, se produce una interacción entre ambos.
Imagina una brisa tranquila que mueve el agua alrededor de una roca que atraviesa la superficie de un lago. En estas condiciones, se forman ondas paralelas donde no hay nada que las bloquee; mientras que justo detrás de la roca, la forma de las ondas se vuelve irregular. Cuanto mayor sea la roca, mayor será la irregularidad.
Manteniendo el mismo ejemplo, pero cambiando la roca por una puerta abierta, experimentamos el mismo comportamiento: La onda forma líneas paralelas ante el obstáculo, pero irregulares al pasar por la puerta y más allá de ella. Los bordes de la puerta causan las irregularidades. A esta puerta la llamamos rendija.
Fig. 1: Una onda mecánica se propaga hacia una abertura. Las flechas indican la dirección de la propagación, mientras que las líneas punteadas son los frentes de onda antes y después del obstáculo. Puedes observar cómo el frente de onda se vuelve brevemente circular, pero vuelve a su forma lineal original al dejar atrás el obstáculo.
Apertura de una rendija
La dimensión de la abertura o rendija afecta la interacción con la onda. En el centro de la abertura, cuando su longitud (\(d\)) es mayor que la longitud de onda (\(\lambda\)), parte de la onda pasa inalterada y crea un nuevo frente de onda.
Fig. 2. Una onda que atraviesa una abertura cuya longitud de apertura \(d\) es mayor que la longitud de onda \(\lambda\).
Si aumentamos la longitud de onda, la diferencia entre máximos y mínimos deja de ser evidente. Lo que ocurre es que las ondas interfieren entre sí, de forma destructiva, según la anchura \(d\) de la rendija y la longitud de onda \(\lambda\). Utilizamos la siguiente fórmula para determinar dónde se produce la interferencia destructiva:
\[n\lambda=d\sin(\theta)\]
Aquí, \(n=0,1,2,...\) se utiliza para indicar los múltiplos enteros de la longitud de onda. Podemos leerlo como \(n\) veces la longitud de onda, y esta cantidad es igual a la longitud de la apertura multiplicada por el seno del ángulo de incidencia \(\theta\) —en este caso, \(\pi/2\)—.
Tenemos, por tanto, una interferencia constructiva que produce un máximo (las partes más brillantes de la imagen) en aquellos puntos que son múltiplos de la mitad de la longitud de onda. Lo expresamos con la siguiente ecuación:
\[n\dfrac{\lambda}{2}=d\sin(\theta)\]
Fig. 3. En este caso, la energía se distribuye en una longitud de onda más amplia, como indica la distancia entre las líneas azules. Se ve transición más lenta entre un máximo (azul) y un mínimo (negro) antes de la apertura.
Por último,\(n\) en la fórmula indica no solo que se trata de múltiplos de la longitud de onda, sino también del orden del mínimo o del máximo.
Cuando \(n=1\), el ángulo de incidencia resultante es el ángulo del primer mínimo o máximo, mientras que \(n=2\) es el segundo y, así sucesivamente, hasta obtener una afirmación imposible como que \(\sin(\theta)\) debe ser mayor que \(1\).
Difracción causada por un obstáculo
Nuestro primer ejemplo de difracción ha sido una roca en el agua; es decir, un objeto en el camino de la onda. Ese caso es el inverso a una apertura; pero, como también hay bordes que causan difracción, vamos a estudiarlo. Mientras que en el caso de una apertura, la onda puede propagarse y crear un máximo justo después de la apertura, un objeto rompe el frente de la onda y provoca un mínimo inmediatamente después del obstáculo.
Fig. 4. Se genera una onda por debajo del obstáculo (mira las crestas representadas en color y las depresiones en negro).La figura ilustra un escenario en el que la ola es siempre la misma, mientras que los obstáculos son cada vez más amplios.
La ola se ve perturbada por el obstáculo más pequeño, pero no lo suficiente como para romper su frente. Esto se debe a que la anchura del obstáculo es pequeña, en comparación con la longitud de onda.
Un obstáculo más grande con anchura es similar a la longitud de onda provoca un único mínimo, justo después de él. Esto se puede ver en el círculo marcado en rojo en la segunda imagen, que indica que el frente de onda se ha roto.
El tercer caso, que vemos en las dos últimas imágenes, presenta un patrón complejo:
- El frente de onda correspondiente a la primera cresta (línea roja) se divide en tres partes, y presenta dos mínimos.
- El siguiente frente de onda (línea azul) tiene un mínimo y, después, volvemos a ver la diferencia entre crestas y valles, aunque estén doblados.
En este caso es evidente que el obstáculo provoca una desalineación del frente de onda. Por encima de la línea amarilla, hay dos pequeñas crestas inesperadas causadas por la flexión de la ola. Esta desalineación se observa en los máximos repentinos, después de que el obstáculo tenga un cambio de fase.
Difracción de ondas de luz
La difracción en ondas de luz (ondas electromagnéticas) funcionará exactamente igual que en el caso anterior, siguiendo las mismas leyes. Cuando una onda lumínica se encuentre una rendija, se producirá una difracción ue genera un nuevo frente de onda.
En función de qué tan cerca esté la rendija del lugar donde observamos la interferencia tras la difracción, hablaremos de dos tipos distintos de difracción: difracción de Fresnel y difracción de Fraunhofer.
- La difracción de Fresnel, o difracción de campo cercano, se da cuando la rendija/objeto que causa la difracción está muy cercano al lugar donde observamos el patrón de difracción o al origen de la onda electromagnética.
- La difracción de Fraunhofer, o difracción del campo lejano, se da cuando la pantalla donde observamos el patrón de difracción y el origen de la onda electromagnética están muy alejados de la rendija o el objeto que cause la difracción. Entonces, consideramos la distancia entre la rendija y la pantalla como infinita y, por tanto, los frentes de onda llegarán paralelos entre sí.
Fig. 5. Podemos utilizar distintos tipos de rendija. En esta imagen observamos una difracción de Fresnel que está causada por una rendija circular. Como vemos, en el centro se encuentra un mínimo y alrededor máximos y mínimos, en forma de anillos que se alternan.Difracción de ondas sonoras
El fenómeno de la difracción para las ondas sonoras se explica de la misma forma que para las ondas mecánicas y las ondas electromagnéticas. Resulta igualmente interesante observar algunos casos en los que esta difracción de ondas sonoras sucede, pese a que no somos conscientes de ello.
Un ejemplo de esto (que hemos comentado brevemente en la introducción) sucede cuando hay un objeto delante del emisor y del receptor que no permite que se vean directamente. Puedes imaginar cualquier situación en la que esto se pueda dar, como tener una columna delante en medio de un concierto o estar hablando con alguien que está separado por una o más personas en un grupo y que no puedes ver directamente. En este caso, tanto la columna como el grupo que te separan de tu amigo son el objeto que causa la difracción, pero, aun así, puedes escuchar ambas situaciones. Esto se debe a que las ondas sonoras interaccionan con estos objetos; pero, tal y como hemos visto en la difracción causada por un objeto, las ondas consiguen propagarse pese a que pierdan intensidad. Es por ello que conseguirás escuchar el mensaje de tu amigo, o la canción, pero lo harás con menos intensidad que si el obstáculo no existiese.
También podemos observar el caso en el que, en vez de tener un obstáculo, tenemos una rendija. Si hay una persona fuera de tu habitación a quien no puedes ver, pero tienes la puerta abierta, podrás escuchar lo que te quiere decir, pese a que lo hagas con menos intensidad.
Ejemplos de difracción de onda
Veamos algunos ejemplos de difracción en nuestra vida cotidiana
Un ejemplo de la difracción de la luz podría ser el que sucede en una habitación oscura con una ventana muy pequeña. Puedes imaginar el típico sótano que aparece en las películas americanas. Cuando el rayo de luz atraviesa la ventana, se puede observar el efecto de la difracción. ¿Por qué es esto?
Muy sencillo. Esta ventana actúa como una rendija que produce que las ondas interaccionen con los bordes y se genere el nuevo frente de onda que ilumina la habitación. Pese a que, evidentemente, la zona más intensamente iluminada será en la que incida directamente el rayo de luz, la gran mayoría de la habitación quedará iluminada.
Fig. 6: Puedes obervar que tanto la ventana como la apertura que se encuentra encima de ella dejan pasar la luz; pero, debido a la difracción, esta no solo ilumina las zonas donde incide directamente, sino también sus alrededores.
Otro ejemplo que sucede a tu alrededor, pese a que no te das cuenta, son las ondas de la señal wifi. Estas ondas son ondas de radio, debido a su longitud. Estas salen del repetidor y empiezan a difractarse con las paredes, las puertas y todo tipo de rendijas que haya en la casa, hasta llegar a los teléfonos u ordenadores.
Si no diese el fenómeno de la difracción, no podrías estar consultando este artículo que te ha ayudado a entenderla; aunque tampoco tendrías que estudiarla. ¿Es esto una paradoja?
Independientemente de si lo es o no, la difracción nos permite explicar por qué los tipos de onda que hemos estudiad pueden llegar de un punto a otro, pese a tener obstáculos en el medio.
Difracción - Puntos clave
- La difracción es el resultado del efecto del borde en la propagación de una onda cuando esta se encuentra un obstáculo o una apertura en su camino.
- La dimensión del obstáculo tiene una importancia notable en la difracción. Sus dimensiones, comparadas con la longitud de onda, determinan el patrón de crestas y valles, una vez que la onda ha pasado el obstáculo.
- La fase se ve alterada por un obstáculo lo suficientemente grande, lo que hace que el frente de la onda se doble.
- Cuando hablamos de ondas lumínicas podemos distinguir entre difracción de Fresnel y de Fraunhofer, en función de la distancia de la rendija a la pantalla que observamos el patrón de difracción.
- La difracción nos permite escuchar a un emisor, pese a que haya un objeto delante que no nos deje verlo directamente. Esto se debe a que las ondas sonoras interaccionan con el objeto que causa la difracción y se propagan, aunque lo hagan con menos intensidad.
References
- Fig. 5: Circular Aperture Fresnel Diffraction high res (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Circular_Aperture_Fresnel_Diffraction_high_res.jpg) by Gisling (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Gisling) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/).
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