Las ondas son perturbaciones que se propagan en el espacio y el tiempo. Puesto que son funciones del espacio y del tiempo, son entidades dinámicas. Es importante destacar que las ondas no necesitan necesariamente un medio material para propagarse (las ondas electromagnéticas serían un ejemplo de ello); aunque ese suele ser el caso de las ondas con las que estamos en contacto diariamente, especialmente la mayoría de las ondas longitudinales.
- Para empezar, entenderemos el concepto de ondas periódicas y sus características.
- Una vez tengas claro este concepto, estudiaremos qué son las ondas longitudinales y transversales.
- Distinguiremos entre ondas transversales y ondas longitudinales.
- Finalmente, veremos algunos ejemplos de ondas longitudinales y ondas transversales.
Ondas periódicas
Las ondas periódicas son ondas con un patrón repetitivo, normalmente en el espacio.
Mientras que, por ejemplo, las olas del océano (un contraejemplo) no están perfectamente sincronizadas para aparecer en una playa a intervalos regulares; su espaciado, por tanto, tampoco es siempre el mismo.
Otro ejemplo lo encontramos cuando lanzamos una piedra en un lago: el espaciado entre las ondas de agua es casi exactamente el mismo, aunque, por supuesto, la perturbación no dura para siempre.
También debemos recordar que las ondas no siempre desplazan la materia del medio en el que se propagan. Mientras que las olas del océano sí desplazan el agua, las vibraciones en una cuerda no trasladan ninguna cantidad de materia, ya que la cuerda, incluidos los extremos, permanecen en su posición.
Características de las ondas periódicas
Las principales características de las ondas periódicas son:
- Longitud de onda: la longitud de cada uno de los patrones repetidos en la onda, que se suele denotar por \(\lambda\).
- Frecuencia: el número de longitudes de onda completadas por unidad de tiempo, que se suele denotar por \(f\). Conociendo la velocidad \(v\) a la que viaja la onda, la frecuencia y la longitud de onda se relacionan mediante la siguiente ecuación:
\[v=f\cdot \lambda\]
- Amplitud: la longitud del desplazamiento provocado por la onda. Como vamos a ver, puede ser transversal, longitudinal o una combinación de ambas.
- Periodo: denotado por \(T\), es el tiempo que tarda una onda en completar una longitud de onda. Es la inversa de la frecuencia:
\[T=\dfrac{1}{f}\]
- Fase: normalmente se denota por \(\varphi\) , y es una cantidad que deriva de la descripción matemática de la onda. Es una medida del estado de oscilación de un punto. Si dos puntos están separados por una longitud de onda, están en fase, ya que realizan exactamente los mismos movimientos. Si dos puntos están a media longitud de onda de distancia, se dice que están en oposición de fase, porque están haciendo los movimientos opuestos. La fase es la medida de la similitud de los puntos de una onda. Tiene un valor entre \(0\) y \(2\pi\). Cada vez que un punto completa una longitud de onda, el número se restablece de \(2\pi\) a \(0\).
Echa un vistazo las siguientes imágenes de una onda periódica y otra no periódica:
Fig. 1: Diferentes tipos de ondas periódicas. La longitud tras la cual se repite una forma se llama longitud de onda.
Fig. 2: Un paquete de ondas gaussianas, un ejemplo de onda transversal no estacionaria.
Independientemente de su naturaleza, las ondas transfieren energía de un punto del espacio a otro. La intensidad y la eficacia de este proceso dependen de las diversas características de la onda.
Por ejemplo, la intensidad de una fuente de luz depende de la amplitud de la onda: cuanto mayor sea la amplitud, más brillante será la señal. Sin embargo, se trata de una medida extensiva; ya que, duplicando el número de bombillas, obtendríamos el doble de amplitud de la onda total.
Por otra parte, encontramos que la frecuencia también está relacionada con la energía, puesto que es una señal de la cantidad de movimiento que la onda lleva consigo. En el caso de la radiación luminosa, esto se traduce en que la luz azul y violeta es más energética que la amarilla o la roja. Esta es una medida intensiva de la energía de las ondas.
¿Qué son las ondas longitudinales y transversales?
- Las ondas transversales son aquellas que sus oscilaciones son perpendiculares a la dirección de su movimiento.
- Las ondas longitudinales son aquellas donde su desplazamiento está en la misma dirección que su movimiento.
Fig. 3: Una onda transversal y una onda longitudinal ilustrada por el movimiento de un muelle.
A continuación vamos a hablar de las principales características de las ondas longitudinales y transversales, ya que esto nos servirá para aprender cuáles son los lugares donde aparecen estos conceptos y cómo se manifiestan y aplican.
Ondas transversales
Las ondas transversales se caracterizan porque el desplazamiento que provocan es perpendicular a la dirección de su movimiento.
El ejemplo más famoso de onda transversal es la propia luz. Consulta la siguiente figura para ver una representación visual de dos ondas transversales periódicas:
Fig. 4. Dos ondas transversales (rosa y azul). El desplazamiento que provocan es perpendicular a su dirección (verde).
En el caso de las ondas transversales, su longitud de onda determina su energía. En la radiación luminosa, la longitud de onda (que está inversamente relacionada con la frecuencia) tiene que ver con el color.
Por ejemplo, hay umbrales de longitud de onda para la luz que podemos ver con nuestros ojos. Las longitudes de onda más largas corresponden a la radiación de radio, como la que utilizamos para que funcione la radio, mientras que las longitudes de onda más cortas corresponden a muchas otras, como las microondas.
Fig. 5: El espectro electromagnético.
Ondas longitudinales
Las ondas longitudinales, en cambio, se caracterizan porque el desplazamiento que generan está en la misma dirección que su movimiento.
Podemos pensar en el movimiento de un muelle que se ha estirado y soltado. El aspecto clave aquí es que la dirección de oscilación se encuentra mucho más restringida y que el movimiento genera cambios de densidad (siempre que haya un medio material), ya que algunas regiones estarán más comprimidas o más estiradas. Consulta la siguiente figura para ver una representación visual de una onda longitudinal:
Ejemplos de ondas longitudinales y transversales
Para terminar, vamos a analizar algunos de los ejemplos más importantes de ondas transversales y longitudinales y sus propiedades.
Como hemos visto, las ondas sonoras y luminosas son muy buenos ejemplos de ondas longitudinales y transversales, respectivamente. Sin embargo, ahora vamos a considerar un ejemplo más visual, que nos permitirá comprender algunas de sus diferencias.
Los terremotos son, esencialmente, perturbaciones generadas en las capas internas de la tierra que se propagan hasta alcanzar la superficie. Las ondas que se generan tienen la particularidad de que, al propagarse en algunos medios sólidos, los desplazamientos que provocan son permanentes en comparación con los desplazamientos provocados en un medio fluido como el agua.
Distinguimos entre:
- Ondas primarias/Ondas P: son ondas longitudinales que viajan aproximadamente a la velocidad del sonido y pueden desplazarse a través de cualquier material, sólido o líquido.
- Ondas secundarias/Ondas S: son ondas transversales que viajan aproximadamente a un 60% de la velocidad del sonido y solo pueden moverse a través de materiales sólidos. Esto se debe a que las fuerzas de transmisión de la perturbación de la onda no existen en los fluidos ni en los gases.
- Otros ejemplos de ondas transversales son las vibraciones de una cuerda de guitarra o las que se generan en una cuerda normal mientras se tira de uno de sus extremos hacia arriba y hacia abajo.
- Encontramos ejemplos de ondas longitudinales en las ondas de los tsunamis, que sí tienen un componente transversal, pero que desplazan principalmente el agua en la dirección de su movimiento.
- Otro caso pueden las ondas de ultrasonido utilizadas, por ejemplo, en los procedimientos de embarazo, en los que se pueden observar tanto componentes transversales como longitudinales.
Ondas longitudinales y transversales - Puntos clave
- Existen dos tipos de ondas según la dirección de su desplazamiento con respecto a su dirección de movimiento: las ondas longitudinales y las transversales.
- Las ondas transversales constituyen los ejemplos más relevantes en física. Normalmente, no desplazan la materia de forma permanente y sus propiedades, como la frecuencia y la amplitud, se visualizan fácilmente.
- Las ondas longitudinales suelen tener que ver con la materia que transfiere el movimiento de la onda a las partículas cercanas de forma similar a la presión. Esto ocurre, por ejemplo, con el sonido o con las ondas de los tsunamis.
- A menos que consideremos fenómenos muy fundamentales, como el electromagnetismo y sus ondas, nos encontramos con que las ondas tienen componentes tanto longitudinales como transversales.
References
- Fig. 2: Propagation of wave packet (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Propagation_of_wave_packet.png) by Mathphysman (https://en.wikipedia.org/wiki/User:Mathphysman) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
- Fig. 5: Ecuaciones de Maxwell (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ecuaciones_de_Maxwell_2.jpg) by Experticuis (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:Experticuis&action=edit&redlink=1) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en).
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