Unidad 1: Ondas
Objetivo General: Manejan magnitudes básicas utilizando relaciones matemáticas elementales para obtener velocidad, frecuencia y longitud de onda.
Objetivo Específico: Identificar qué son las ondas, su clasificación y sus elementos principales.
Concepto de Onda
Una onda es aquella perturbación en los medios elásticos o deformables.
Es transportadora de energía; pero es incapaz de desplazar una masa en forma continua.
Toda onda al propagarse da lugar a vibraciones.
Es importante notar que el medio mismo no se mueve en conjunto en la dirección en que avanza el movimiento ondulatorio.
Las diversas partes del medio oscilan únicamente en trayectorias limitadas.
Clasificación de las Ondas
Ahora ¿todas las ondas son del mismo tipo?
No. Las ondas se pueden clasificar, particularmente respecto al medio en que se desplazan.
⚡ Ondas Electromagnéticas
📖 Definición
Se producen por la contribución simultánea de un campo magnético y un campo eléctrico que oscilan perpendicularmente entre sí.
Campo eléctrico (rojo) y campo magnético (azul) oscilando perpendicularmente
💡 ¿Qué es un CAMPO?
Campo se llama a una región del espacio donde cada punto tiene asociada una propiedad física que puede ejercer una influencia o fuerza sobre objetos que se encuentren en esa región.
Piensa en el campo como una "zona de influencia invisible".
Ejemplos de campos en física:
🌍 Campo Gravitatorio:
- La Tierra genera un campo gravitatorio a su alrededor
- Tú, al estar en ese campo, experimentas una fuerza hacia el centro: tu peso
- Mientras más cerca del centro, más intenso es el campo
⚡ Campo Eléctrico:
- Lo generan las cargas eléctricas
- Cuando frotas un globo en tu cabello, creas un campo eléctrico
- Ese campo atrae pequeños pedazos de papel
- Los rayos en tormentas se deben a campos eléctricos intensos
🧲 Campo Magnético:
- Lo generan los imanes o corrientes eléctricas
- Un imán de refrigerador crea un campo magnético que atrae el metal
- La Tierra tiene un campo magnético que hace funcionar la brújula
- Las auroras boreales se forman por el campo magnético terrestre
⚡🧲 Campo Electromagnético:
Las ondas electromagnéticas se producen cuando un campo eléctrico y un campo magnético oscilan juntos, generándose mutuamente.
💡 Esto es lo que descubrió James Clerk Maxwell: un campo eléctrico que cambia genera un campo magnético, y viceversa, creando una onda que puede viajar por el espacio.
🎯 Analogía útil:
Un campo es como el perfume de una persona. El perfume llena el espacio alrededor (eso es el campo), y mientras más cerca estás, más intenso lo percibes. Otras personas que entran en esa zona pueden olerlo (experimentan el campo). La diferencia es que los campos físicos son invisibles, pero sus efectos son muy reales.
✨ Ejemplos de Ondas Electromagnéticas
- 💡 La luz: Es una onda electromagnética visible. La luz del Sol, de una lámpara, o de tu pantalla.
- 📡 WiFi y Bluetooth: Ondas de radio que permiten comunicación inalámbrica.
- 🍲 Microondas: Las ondas dentro del horno microondas que calientan la comida.
- ☀️ Rayos UV: Del Sol, algunos causan bronceado (y daño en la piel si hay sobreexposición).
- 🏥 Rayos X: Utilizados en medicina para ver huesos y órganos internos.
- 📻 Ondas de radio y TV: Transmiten señales de radio y televisión.
🚀 Característica Especial: Viajan en el Vacío
Las ondas electromagnéticas pueden presentarse en un medio material o en la ausencia de él (vacío).
Por ejemplo, la luz puede viajar a través del aire, del agua, del vidrio, y también lo hace a través del espacio vacío.
La radiación solar (UV) viaja desde el Sol, a través del espacio vacío, ingresa a la atmósfera, un poco de ella se absorbe en la capa de ozono, pero otra parte puede pasar a través de esta capa y llega hasta la superficie de la Tierra, viajando por el vacío y también por la atmósfera.
🎨 El Espectro Electromagnético
Todas las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (300,000 km/s en el vacío)
El espectro electromagnético completo: de ondas de radio hasta rayos gamma
🔍 Características Clave
- No necesitan medio material para propagarse
- Viajan a la velocidad de la luz (c = 300,000 km/s en el vacío)
- Son transversales (campos oscilan perpendiculares a la dirección de propagación)
- Se componen de un campo eléctrico y magnético oscilantes
🌊 Ondas Mecánicas
📖 Definición
Las ondas mecánicas solo pueden presentarse en un medio material. Necesitan de la materia para propagarse y no pueden viajar en el vacío.
⚙️ ¿Cómo funcionan?
Las ondas mecánicas se propagan porque las partículas del medio (aire, agua, cuerda, etc.) interactúan entre sí:
- Una partícula se perturba (se mueve de su posición de equilibrio)
- Esta partícula "empuja" o "jala" a las partículas vecinas
- Las partículas vecinas hacen lo mismo con sus vecinas
- La perturbación se propaga, pero las partículas solo oscilan localmente
💡 Sin medio material (como en el vacío del espacio), no hay partículas que transmitan la perturbación, por eso las ondas mecánicas no pueden existir allí.
🎬 Ejemplos Visuales
Onda en una cuerda (transversal)
Onda en resorte (longitudinal)
Olas de mar (superficial)
Cuerda de guitarra vibrando: ejemplo perfecto de onda mecánica
✨ Ejemplos Cotidianos
- 🎸 Ondas en una cuerda: Guitarra, violín, piano. La cuerda necesita estar tensa y ser material para vibrar.
- 🔊 El sonido: Necesita aire (u otro medio) para propagarse. Por eso en el espacio no hay sonido.
- 🌊 Olas del mar: Requieren agua. La energía se propaga por el movimiento de las moléculas de agua.
- 🌍 Ondas sísmicas: Viajan a través de la roca sólida de la Tierra durante un terremoto.
- 🏟️ La ola del estadio: Necesita personas (medio material) para propagarse.
- 🥁 Vibración de un tambor: La membrana del tambor vibra y transmite ondas de sonido por el aire.
🔬 El Sonido: El Ejemplo Más Importante
El sonido es quizás la onda mecánica más importante en nuestra vida diaria:
- En el aire: Viaja a ~340 m/s
- En el agua: Viaja a ~1,480 m/s (más rápido porque el agua es más densa)
- En sólidos: Viaja aún más rápido (por ejemplo, en acero a ~5,000 m/s)
- En el vacío: NO puede viajar (no hay partículas que transmitan la vibración)
🎬 Dato curioso de cine: En las películas de ciencia ficción a menudo escuchas explosiones en el espacio, ¡pero esto es físicamente imposible! En el vacío del espacio no hay sonido porque no hay medio material para transmitir las ondas sonoras.
🔍 Características Clave
- Necesitan medio material para propagarse (sólido, líquido o gas)
- No pueden viajar en el vacío (sin medio no hay onda)
- Su velocidad depende del medio (generalmente más rápidas en sólidos que en gases)
- Pueden ser transversales, longitudinales o superficiales
- Las partículas del medio oscilan pero no se desplazan con la onda
⚖️ Comparación con Ondas Electromagnéticas
| Característica | Ondas Mecánicas | Ondas Electromagnéticas |
|---|---|---|
| Medio | Necesitan medio material | Pueden viajar en el vacío |
| Velocidad | Variable (depende del medio) | Constante (c = 300,000 km/s) |
| Ejemplo | Sonido, olas | Luz, wifi |
Clasificación según Modo de Propagación
Las ondas también se pueden clasificar de acuerdo al modo en que se mueven, desplazan o propagan.
Vamos a conocer tres tipos importantes:
🌊 Ondas Transversales
📖 Definición
Son aquellas ondas en que la perturbación se mueve en dirección perpendicular (90°) a la dirección del desplazamiento de la onda.
🎬 Animaciones y Ejemplos Visuales
Animación: La perturbación (arriba/abajo) es perpendicular al avance (izquierda/derecha)
Onda transversal en una cuerda
Diagrama: Partículas oscilan verticalmente mientras la onda avanza horizontalmente
✨ Ejemplos Cotidianos
- 🎸 Ondas en una cuerda: Cuando agitas una cuerda de guitarra, la cuerda sube y baja (perturbación vertical), pero la onda viaja a lo largo de la cuerda (horizontal).
- 🏟️ La ola del estadio: Las personas se levantan y se sientan (movimiento vertical), pero la "ola" viaja alrededor del estadio (movimiento horizontal).
- 💡 Ondas luminosas: Las ondas de luz se consideran transversales, aunque su estructura es más compleja (involucra campos eléctricos y magnéticos oscilando perpendicularmente).
🔍 Característica Clave
En una onda transversal, el medio (cuerda, agua, etc.) se mueve perpendicular (⊥) a la dirección en que viaja la energía de la onda.
🔊 Ondas Longitudinales
📖 Definición
Son aquellas ondas en que la perturbación se mueve en la misma dirección (paralela) que la dirección de propagación de la onda.
🎬 Animaciones y Ejemplos Visuales
Onda longitudinal en un resorte: compresión y expansión
Partículas oscilan en la misma dirección del avance de la onda
Diagrama: Zonas de compresión y expansión
✨ Ejemplos Cotidianos
- 🔊 El sonido: Las moléculas de aire se comprimen y expanden en la misma dirección en que viaja el sonido. Cuando hablas, el aire frente a tu boca se comprime (zona de alta presión) y expande (zona de baja presión), y estas zonas viajan hacia adelante.
- 🌀 Onda en un resorte: Si empujas y jalas un extremo de un resorte extendido (como un Slinky), las espiras se comprimen y expanden en la misma dirección del movimiento de la onda.
🎵 El Sonido en Detalle
El sonido es el ejemplo más importante de onda longitudinal. Cuando una fuente sonora (como un parlante o tu voz) vibra:
- Compresión: Las moléculas de aire se juntan (alta presión)
- Rarefacción: Las moléculas se separan (baja presión)
- Propagación: Estas zonas de alta y baja presión viajan en la misma dirección
Visualización de compresión y expansión
🔍 Característica Clave
En una onda longitudinal, el medio se mueve paralelo (∥) a la dirección en que viaja la energía de la onda. Se forman zonas de compresión (alta densidad) y rarefacción (baja densidad).
🌀 Ondas Superficiales
📖 Definición
Son ondas que combinan movimiento transversal y longitudinal. Es decir, en parte son transversales y en parte son longitudinales.
🔄 Movimiento Combinado
Las partículas en una onda superficial describen trayectorias circulares o elípticas. Esto significa que cada partícula se mueve:
- ↕️ Verticalmente (componente transversal)
- ↔️ Horizontalmente (componente longitudinal)
- 🔄 Resultado: Movimiento circular en el plano vertical
🎬 Animaciones y Ejemplos Visuales
Ondas Rayleigh: Las partículas se mueven en círculos mientras la onda avanza
Olas de mar: El ejemplo más visible de ondas superficiales
✨ Ejemplo Principal: Olas de Mar
Las olas de mar son el ejemplo más conocido de ondas superficiales. Cuando observas una ola:
- 🌊 En la superficie: El agua se mueve en círculos. Una partícula sube cuando pasa la cresta, se mueve hacia adelante en la cima, baja en la parte trasera, y regresa hacia atrás en el valle.
- 📉 En profundidad: El movimiento circular disminuye con la profundidad. A mayor profundidad, menor es el movimiento.
- 🏖️ Cerca de la playa: Cuando la ola llega a aguas poco profundas, el movimiento circular se distorsiona porque el fondo interfiere, causando que la ola "rompa".
🌍 Ondas Sísmicas Superficiales
Las ondas Rayleigh son ondas superficiales que se producen en terremotos. Viajan por la superficie de la Tierra y son responsables de gran parte del daño en los sismos. Son similares a las olas del mar, pero viajan por la tierra sólida.
🔍 Característica Clave
Las ondas superficiales son una combinación de movimiento transversal y longitudinal. Las partículas se mueven en trayectorias circulares o elípticas, combinando movimiento vertical y horizontal simultáneamente.
💡 Dato Curioso
A pesar de que las olas parecen mover el agua hacia la playa, en realidad el agua no se desplaza horizontalmente grandes distancias. Lo que se mueve es la energía de la ola, no el agua misma. Por eso, un objeto flotando en el mar se mueve mayormente en círculos, no avanza continuamente con la ola.
Sismos: Ondas en la Tierra
Los sismos son movimientos ondulatorios, y los hay de dos tipos:
- Ondas tipo S: Son transversales (Secondary waves - ondas secundarias)
- Ondas tipo P: Son longitudinales (Primary waves - ondas primarias)
🔵 Onda P - Primaria (Longitudinal)
Onda P: Movimiento longitudinal - Las partículas oscilan en la dirección de propagación
🟢 Onda S - Secundaria (Transversal)
Onda S: Movimiento transversal - Las partículas oscilan perpendicular a la dirección de propagación
⚠️ Concepto Importante
Se dijo que una onda transporta energía, bien. Pero, ¡cuidado!, las partículas del medio no se desplazan en la dirección de propagación, al menos no un gran tramo. Lo que se desplaza es el pulso, o bien, la perturbación.
🎸 Ondas en una Cuerda
Por ejemplo: Al pulsar una cuerda, un punto de ella se mueve perpendicularmente al movimiento de propagación de la onda. El punto no se desplaza a lo largo de la onda.
💡 La cuerda oscila arriba y abajo, pero cada punto de la cuerda vuelve a su posición original. Solo la energía viaja a lo largo de la cuerda.
🔊 Ondas Sonoras
Ahora, si el caso es una onda sonora, corresponde hablar de zona o región y no de punto. Una región de aire se mueve un poco en la dirección de propagación, pero vuelve a su lugar. Producto de choques sucesivos es que se produce la propagación.
💡 Las moléculas de aire vibran hacia adelante y atrás solo unos milímetros, pero el sonido puede viajar kilómetros. La energía se transmite de molécula en molécula.
🌊 Ondas Superficiales
En el caso de una onda superficial, un punto del medio se mueve en sentido perpendicular a la propagación de la onda y también tiene un desplazamiento en la dirección de propagación de la onda.
💡 Las partículas de agua describen círculos o elipses. Suben, avanzan, bajan y retroceden, pero al final quedan prácticamente en el mismo lugar. La ola (energía) sí avanza.
🎯 Resumen del Concepto Clave
❌ NO viaja
La materia
(partículas del medio)
✅ SÍ viaja
La energía
(perturbación/pulso)
Las partículas oscilan en su posición, pero la energía (la onda) se propaga a través del medio.
💭 Analogía útil
Imagina una fila de personas haciendo "la ola" en un estadio. Cada persona se levanta y se sienta (oscila en su lugar), pero la "ola" viaja alrededor del estadio. Las personas no se mueven de sus asientos, solo la energía de la ola se propaga. Lo mismo ocurre con las ondas físicas: las partículas oscilan localmente, pero la energía viaja.