¿Qué son los fenómenos ondulatorios?
Los fenómenos ondulatorios tienen lugar cuando las ondas se propagan en un medio y se encuentran con otras ondas, con cambios en el medio, fronteras, brechas y obstáculos en general. Esto causa alteraciones a la forma de las ondas y a su desplazamiento.
Las ondas transportan energía, no materia. Si nos fijamos bien, cuando se arroja una piedra a un estanque, lo que se propaga en el agua es la perturbación, ya que las moléculas de líquido se desplazan brevemente de su posición de equilibrio y regresan a ella tan pronto la perturbación se aleja.
Como no hay transporte de materia, podemos esperar que las ondas se comporten de formas distintas a como lo harían los objetos cuando interaccionan.
Las ondas se las ingenian para atravesar distintos medios y hasta para ocupar el mismo espacio al mismo tiempo, algo que las partículas con masa no pueden hacer, al menos a nivel macroscópico (los electrones tienen masa y sí pueden experimentar fenómenos ondulatorios).
Entre los principales fenómenos ondulatorios que podemos observar en la naturaleza están la reflexión, la refracción, la interferencia y la difracción.
Tanto la luz como el sonido, tan preciados a los sentidos, se comportan como ondas y experimentan todos estos fenómenos, dentro de las diferencias existentes en sus respectivas naturalezas.
Por ejemplo la luz no necesita de medio material para propagarse, mientras que el sonido sí. Además la luz es una onda transversal (la perturbación es perpendicular a la dirección en que se desplaza la onda), mientras que el sonido es una onda longitudinal (la perturbación y el desplazamiento son paralelos).
Tipos de fenómenos ondulatorios
A pesar de su diferente naturaleza, todas las ondas tienen en común los siguientes fenómenos ondulatorios:
Reflexión
Cuando las ondas viajan a veces se encuentran con fronteras que separan un medio de otro, por ejemplo un pulso que viaja a través de una cuerda firmemente sujeta a un extremo.
Una vez que el pulso llega hasta el final de la cuerda, se regresa en buena parte, pero lo hace invertido. Se dice entonces que el pulso experimenta reflexión, es decir, se refleja en el límite entre la cuerda y el soporte.
La inversión del pulso se debe a la reacción que ejerce el soporte sobre la cuerda, que por ley de acción y reacción tiene la misma dirección y magnitud, pero sentido contrario. Por tal motivo el pulso se invierte cuando viaja de regreso.
Otra posibilidad es que la cuerda tenga algo de libertad en el extremo sujeto, por ejemplo está anudada a una anilla que puede deslizar sobre una barra. Entonces el pulso enviado a través de la cuerda no retorna invertido.
En términos generales, cuando una onda se propaga y llega al límite que separa dos medios diferentes, experimenta un cambio de dirección. A la onda que llega se la conoce como onda incidente, la que se regresa es la onda reflejada y si una parte se transmite al otro medio, se conoce como onda refractada.
El sonido es una onda, por eso experimenta reflexión al hablar en un salón vacío. La luz también es una onda y podemos verla reflejándose en el espejo, sobre la superficie tranquila de un estanque o en la vidriera un rascacielos.
Refracción
El fenómeno de la refracción ocurre cuando una onda pasa de un medio a otro, por ejemplo de aire a agua. Una parte de la onda se transmite al segundo medio: la onda refractada.
Al tratar de agarrar un objeto sumergido en el fondo de una fuente o un balde es muy probable no alcanzarlo, aunque la mano se dirija hacia donde está el objeto. Y eso es porque los rayos de luz han cambiado su dirección cuando pasaron del aire al agua, esto es, experimentaron refracción.
Además la velocidad con que se mueven las ondas varía según el medio. En el vacío las ondas luminosas se mueven con velocidad constante c = 300.000 km/s, pero en el agua la velocidad disminuye hasta (3/4) c y en vidrio todavía más: a (2/3) c.
La velocidad de la luz en un medio depende del índice de refracción de este, definido como la razón entre c y la velocidad v que la luz tenga en el medio:
n = c/v
El fenómeno es análogo a un carrito de juguete que rueda sobre un piso duro de cerámica o madera muy pulimentada y súbitamente pasa a rodar sobre una alfombra. No solo modifica su dirección, sino que también disminuye su velocidad.
Absorción
Si la onda se encuentra con un medio diferente, puede ocurrir que ceda toda la energía que transporta y su amplitud se haga cero. Se dice entonces que la onda fue absorbida.
Interferencia
Dos objetos no comparten su espacio, sin embargo dos o más ondas no tienen problema en estar al mismo tiempo en un mismo punto del espacio. Este comportamiento es exclusivo de ellas.
Sucede cada vez que se lanzan simultáneamente dos piedras al agua, se producen patrones de ondas independientes que pueden solaparse y dar una onda resultante.
La amplitud de la onda resultante puede ser mayor o menor que la de las ondas que interfieren, o simplemente pueden anularse unas con otras. En ellas se cumple el principio de superposición.
Para las ondas, el principio de superposición establece que la onda resultante es igual a la suma algebraica de los desplazamientos de las ondas que interfieren (pueden ser más de dos).
Si las ondas están en fase, lo cual quiere decir que sus valles y sus crestas están alineados, resulta una onda con el doble de amplitud. A esto se le conoce como interferencia constructiva.
En cambio, cuando la cresta de una onda se solapa con el valle de otra, se contrarrestan entre sí y la amplitud de la onda resultante disminuye o llega a hacerse nula. Este efecto se llama interferencia destructiva.
Luego de interactuar, las ondas prosiguen su camino como si nada hubiera pasado.
Difracción
Este fenómeno es típico de las ondas; en él la onda se desvía y distorsiona al encontrarse con un obstáculo interpuesto en el camino de la onda o una brecha en el medio. El efecto es significativo cuando el tamaño del obstáculo es comparable al de la longitud de onda.
Las ondas atienden al principio de Huygens, el cual establece que todo punto del medio se comporta a su vez como un foco que emite ondas. Como un medio tiene una cantidad infinita de puntos, al superponerlos todos se obtiene el frente de onda.
Cuando este llega a una abertura del tamaño de la longitud de onda, los focos en el frente de onda se las arreglan para interferir entre si y la onda se deforma.
La difracción del sonido es fácil de apreciar, ya que su longitud de onda es comparable al de los objetos que nos rodean, en cambio la longitud de onda de la luz es mucho menor y en consecuencia la difracción necesita de obstáculos muy pequeños.
En la siguiente imagen tenemos un frente de onda plano, que se mueve verticalmente hacia abajo al encuentro de una abertura en un muro.
A la izquierda la longitud de la onda incidente es mucho menor que el tamaño de la abertura y la onda apenas se deforma. En cambio en la figura de la derecha, la longitud de onda es de tamaño comparable al de la abertura y al emerger de ella, la onda se curva apreciablemente.
Ejemplos de fenómenos ondulatorios
-Escuchar la música y las conversaciones en otra habitación se deben a la difracción del sonido cuando encuentra aberturas como puertas y ventanas. Las frecuencias bajas son mejores en esto que las altas, por eso los truenos lejanos retumban mucho más que los cercanos, los cuales se perciben más bien como estampidos breves.
-Los espejismos se deben a que partes del aire tienen distintos índices de refracción, a causa de la densidad desigual.
Esto hace que el cielo y los objetos lejanos parezcan reflejarse sobre una superficie líquida inexistente en el desierto o una carretera caliente. Las sucesivas refracciones de la luz en las capas desiguales de la atmósfera son las que crean este efecto.
-No es posible ver objetos de tamaño menor al de la longitud de onda de la luz con la cual son iluminados. Por ejemplo, los virus son más pequeños que las longitudes de onda visibles, así que no pueden verse con un microscopio corriente.
-La refracción hace que podamos ver al Sol poco antes de que salga (o se ponga). En esos momentos los rayos del Sol inciden oblicuamente a la atmósfera y el cambio en el medio se encarga de doblarlos y desviarlos.
Por eso podemos ver al astro rey antes de que realmente esté por encima del horizonte o continuar viéndolo justo sobre el horizonte cuando en realidad ya pasó por debajo.
Referencias
- Bikos, K. What is refraction of light? Recuperado de: timeanddate.com.
- Figueroa, D. 2005. Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 7. Ondas y Física Cuántica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
- Hewitt, Paul. 2012. Conceptual Physical Science. 5th. Ed. Pearson.
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- Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume1.
- Wikipedia. Refraction atmosphérique. Recuperado de: fr.wikipedia.org.