Olas estacionarias

Las diferencias entre ondas estacionarias y progresivas

Por un lado, la característica que define a las ondas progresivas es que avanzan en el espacio. Por otro lado, como una onda estacionaria está formada por la superposición de ondas que viajan en direcciones opuestas, no hay movimiento en la dirección de propagación, sino que casi todos los puntos se desplazan perpendicularmente a ella.

Ondas progresivas

Las principales características de las ondas progresivas son

• Amplitud global: significa que todos los puntos tienen finalmente un determinado valor de amplitud permitido. Al final, si la onda se propaga, alcanza todos los puntos del espacio, y esta propagación, en algún momento, alcanzará todos los valores entre la amplitud mínima y la máxima.
• Inexistencia de nodos: no hay nodos, es decir, puntos que no vibran en ningún momento.
• Puntos en fase: todos los puntos tienen una fase relativa (estado de oscilación) entre 0º y 360º. Es 0º cuando los puntos están separados por una longitud de onda.
• Transmisión de energía: la energía se transfiere en la dirección de propagación.

• Velocidad de onda: existe una velocidad de onda global determinada por su propagación. Todos los puntos de una misma onda tienen esta misma velocidad.

Un ejemplo básico es una onda formada en una cuerda en la que un extremo está suelto y tiramos rápidamente del otro extremo hacia arriba y hacia abajo. La onda avanza hasta que llega al final de la cuerda (si tiramos con suficiente fuerza) y entonces se detiene. Si seguimos tirando hacia arriba y hacia abajo, esto seguirá ocurriendo.

Ondas estacionarias

Las principales características de las ondas estacionarias son

• Amplitud local: dependiendo de la cantidad de superposición, cada punto tiene unos valores máximos y mínimos de amplitud específicos.
• Presencia de nodos: existen nodos, puntos en los que el estado de vibración es nulo y constante en el tiempo. Los puntos que oscilan continuamente y alcanzan la máxima amplitud posible se llaman antinodos.
• Puntosen fase: los puntos situados entre dos nodos oscilan en fase, es decir, oscilan simultáneamente en la misma dirección (con amplitudes diferentes). Los puntos situados a ambos lados de un nodo oscilan con fases opuestas, es decir, oscilan simultáneamente en direcciones opuestas (con amplitudes diferentes).
• Transmisión de energía: no hay transmisión de energía en la dirección de propagación de las ondas originales, ya que la transmisión de las dos ondas que viajan en direcciones opuestas las neutraliza.
• Velocidad delas ondas: no hay velocidad global neta de las ondas, ya que las dos ondas que se desplazan en sentidos opuestos se neutralizan mutuamente. Comprobamos que la velocidad de cada punto es específica y transversal a la dirección de propagación de las ondas originales.

Podríamos formar una onda estacionaria en una cuerda del mismo modo que antes, pero con alguien replicando nuestros movimientos desde el otro extremo. Sin embargo, un ejemplo más común es el de las cuerdas de una guitarra. Cuando presionamos una cuerda de guitarra contra el traste, estamos fijando uno de los extremos, provocando así un fenómeno de reflexión: cuando una onda formada en la cuerda llega al traste, se refleja y viaja hacia atrás. Este reflejo genera una onda que viaja en sentido contrario, que, junto con la onda que viaja en el otro sentido, forma la onda estacionaria. El extremo de la cuerda y el contacto con el traste son los nodos de la onda estacionaria.

Figura 3. Diferentes ondas estacionarias con diferentes cantidades de nodos. En verde, la onda en un momento determinado, y en azul, la onda después de medio periodo. Fuente: Fundación CK-12, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0).

Aplicaciones de las ondas estacionarias

La principal aplicación de las ondas estacionarias es la generación de sonidos de frecuencias específicas. La particularidad en los instrumentos es que, debido a los patrones de interferencia, no sólo se genera una determinada frecuencia como onda estacionaria, sino que aparecen amplificadas otras frecuencias relacionadas correspondientes a la aparición de nodos. Esto es lo que constituye una nota musical y el mecanismo por el que la música es armónica. Estas otras ondas estacionarias se denominan, por tanto, "armónicas", y corresponden a las ondas que aparecen en la figura 3 después de la superior.

Sin embargo, no todas las aplicaciones de las ondas estacionarias se limitan a la música y las ondas sonoras. El funcionamiento de un microondas, por ejemplo, es sencillo: entre dos paredes del microondas se genera una onda estacionaria con una determinada longitud de onda. Una forma fácil de verlo es sacar el plato giratorio del microondas y colocar dentro regaliz rojo. Tras el calentamiento, algunas partes uniformemente espaciadas del regaliz aparecerán derretidas o quemadas. Estos puntos corresponden a los antinodos de la onda (donde se produjo una transferencia máxima de energía).

Como último ejemplo, sólo mencionaremos el hecho de que muchos sistemas cuánticos fundamentales de nuestro mundo presentan ondas estacionarias. Por ejemplo, la distribución básica de un electrón en un átomo de hidrógeno está determinada por un cierto conjunto de disposiciones de ondas estacionarias llamadas "armónicos esféricos".