Onda: Concepto, Partes, Naturaleza, Propagación, Ejemplos

Una onda en el sentido general de la palabra abarca a cualquier perturbación que se propague en el espacio, como puede ser la propagación de la magnitud física del campo eléctrico y magnético en las ondas electromagnéticas como también la propagación de la densidad ya que esta también es una propiedad en el espacio, la misma se da en las ondas sonoras.

¿Qué es una onda?

Una onda es el resultado de aplicar una vibración específica en un medio en particular, por lo tanto se pueden conocer como aquellas vibraciones que se trasladan a través del espacio o se dan en ese mismo medio, cuando varía una de sus propiedades medibles.

También se puede decir que representa a una perturbación que se propaga en el espacio o puede generarse en un medio, la perturbación representa la variación de alguna magnitud como por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico, campo magnético.

En las ondas se conoce que solo las magnitudes físicas nombradas anteriormente varían sin necesidad de transferir materia, es decir, existe un transporte de energía sin transporte de materia.   

Para poder representar matemáticamente el comportamiento de una onda que se propaga en el espacio, se necesita hacer uso de dos magnitudes fundamentales para determinar cualquier valor de la onda, estas magnitudes son la posición y el tiempo.

Con ambas magnitudes se podrá determinar cualquier valor de la magnitud física que se propaga en el espacio o a través de un medio en particular, por lo que la función matemática que la describe debe contener ambas variables F(p,t), donde p representa la posición y “t” el tiempo en el cual se desea conocer la magnitud de la onda.

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Además es importante saber que toda función que represente una onda debe cumplir con la siguiente ecuación de onda para poder decir que es realmente una función que describe el comportamiento de una onda.

Siendo “v” la velocidad a la cual viaja el fenómeno ondulatorio.

Ejemplo de una onda

Imaginemos que se tiene un recipiente grande que contiene agua, la misma está en unas condiciones ambientales que le permiten al agua mantenerse en reposo, es decir, la superficie del agua se encuentra completamente lisa.

En un instante dado se decide lanzar una piedra al estanque, lo que causa que el agua que antes presentaba una superficie lisa genere ahora ondas que se propagan a partir del punto en el cual fue lanzada la piedra, creando una superficie en el agua tal y como se muestra en la siguiente figura.

En realidad la materia, en este caso el agua, no se está transportando sino solo que cada onda perturba a la onda siguiente y le da parte de su energía para que se siga moviendo y así sucesivamente el agua va presentando dichas ondulaciones hasta que llega nuevamente a su estado de reposo luego de que el movimiento de las ondulaciones hayan consumido toda la energía que le suministró la piedra al caer al agua.

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El ejemplo nombrado anteriormente corresponde a una onda sonora ya que la misma representa una perturbación que se propaga a través de un líquido, en este caso, el agua, y está dentro del grupo de las ondas mecánicas.

Consideraciones importantes

El estudio de las ondas se enfoca generalmente al comportamiento de las propiedades de las magnitudes físicas en las ondulaciones que se propagan en el espacio, este estudio se hace independientemente de la fuente causante de la perturbación.

Es decir, que independientemente del fenómeno ondulatorio que sea, se aplican las mismas reglas matemáticas para describirla, puesto que en diferentes ámbitos físicos todas las ondas comparten características similares en cuanto a su comportamiento.

Sin embargo, es importante mencionar que aunque el estudio de las ondas está desarrollado para ser aplicado a cualquier onda, la definición de sus componentes será diferente dependiendo de los orígenes físicos que causen la onda.

Esto quiere decir, que aunque matemáticamente las ondas sean semejantes, si las vemos desde su interpretación física serán diferentes si las mismas son emitidas desde diferentes orígenes físicos. 

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Por ejemplo, no es lo mismo hablar de una onda electromagnética, en la cual la misma representa la perturbación que se da en el campo eléctrico y magnético en el espacio, a diferencia de hablar de una onda sonora como la onda correspondiente a las ondulaciones en el agua vista anteriormente.

Ambas, la onda electromagnética y la onda sonora son ondas que representan una perturbación de una propiedad en el espacio, pero no representan las mismas propiedades, puesto que en la primera estamos hablando de perturbaciones electromagnéticas que comprenden a variables eléctricas y en la segunda se está hablando de perturbaciones mecánicas a causa de la piedra que ingresó al agua en la cual se utilizan variables mecánicas tales como la inercia y la masa.

Teniendo en cuenta lo anterior, el significado de cada componente matemático que se utiliza para describir a la onda tendrá diferentes connotaciones dependiendo desde qué origen físico se generó el fenómeno ondulatorio.

Dicho esto, se entiende que según la naturaleza de las ondas se tendrán diferentes propiedades que les darán una cualidad distintiva en particular, generando diferentes efectos en el medio en el cual se trasladan, por ejemplo presión de radiación en el caso del electromagnetismo.

Componentes de una onda

Según todo lo que se ha explicado anteriormente ya estamos listo para adentrarnos en el estudio de cada uno de los componentes que definen matemáticamente a una onda.

Elongación

Elongación (y) se le llama a la distancia que existe entre cualquier punto de la onda que se quiera considerar y la posición de reposo o línea de equilibrio que es aquella en la cual tiende a quedar el medio sin presentar perturbaciones luego de que esta última haya cesado.

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Cresta

Se refiere al punto en el cual la elongación que puede tener la onda es máxima y por lo tanto igual a su amplitud, pero considerando el valor positivo de la onda.

Valle

De la misma manera que para la definición de una Cresta pero en sentido contrario, es decir, considerando el valor negativo de la magnitud de la onda.

Nodo

Describe al punto de la onda que se encuentra en la posición de equilibrio, correspondiente al estado de reposo del medio.

Ciclo

Se define como la parte de la onda de la cual se puede obtener todo su comportamiento, es decir, es la parte de la onda desde una cresta hasta la siguiente cresta, o también desde un valle al siguiente.

Amplitud

La amplitud (A) es la distancia que existe desde la cresta o valle hasta la posición de equilibrio, es importante mencionar que no todas las ondas tienen una amplitud constante, lo cual significa que la misma puede cambiar al transcurrir el tiempo.

Longitud de onda

La longitud de onda (λ) es la distancia que hay entre dos crestas o valles de la onda, que se encuentran seguidamente.

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Período

El período (T) es el tiempo que debe pasar para que se complete un ciclo de la onda que corresponde a una oscilación completa, el mismo se puede encontrar con el uso de la frecuencia T = 1/F.

Frecuencia

La frecuencia (F) se refiere al número de ciclos que se repiten en un segundo.

Fase

La fase (Φ) representa el ángulo en el cual se puede conocer la magnitud instantánea de una onda, la cual corresponde al tiempo que transcurre desde el que se tomó como referencia.

Velocidad de propagación

La velocidad de propagación también llamada velocidad de fase representa la velocidad a la cual se desplaza la onda y se obtiene con el uso de la longitud de onda y el período, V = λ/T.

Naturaleza de las ondas

La naturaleza de las ondas pueden ser de distintas maneras, las ondas periódicas se conocen por estar definidas a través de crestas positivas o picos negativos, además de esto, se especifican según el movimiento que experimentan sus partículas como longitudinales o transversales.

Las ondas longitudinales son aquellas en las que las partículas se mueven paralelamente a la dirección de propagación de la onda y las ondas transversales son aquellas en las que las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.

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Un ejemplo de las ondas transversales serían las ondas electromagnéticas y de las ondas longitudinales las ondas sonoras.

Realmente cuando un cuerpo golpea a la superficie del agua en reposo, las ondas que se generan son una combinación de ondas transversales y longitudinales, como las partículas en las ondas transversales se mueven perpendicularmente y en las ondas longitudinales se mueven paralelamente a la dirección de propagación de la onda, la superposición de ambas resulta en una trayectoria orbital.

Comportamiento de las ondas

Existe una serie de fenómenos que bajo condiciones específicas ejercen el mismo comportamiento en todas las ondas, los cuales son los siguientes:

• Difracción

Este fenómeno ocurre cuando las ondas pasan a través de orificios que tienen una distancia que es comparable al tamaño de la longitud de onda que atraviesa dicho orificio.

• Efecto Doppler

Representa el cambio aparente en la frecuencia de una onda, debido al movimiento relativo entre la fuente que la genera respecto a un observador.

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• Interferencia

Las ondas pueden viajar en diferentes direcciones, estas ondas cuando están viajando al encontrarse en el mismo punto, ocurre una interferencia que da como resultado una onda que es el fruto de la unión de las ondas que se encontraron en dicho punto.

• Reflexión

La reflexión se da cuando una onda no puede atravesar un nuevo medio con el que ella se consigue después de haberse propagado en un medio inicial, por lo que la onda se refleja y regresa al mismo medio inicial pero cambiando su dirección.

• Refracción

En la refracción la onda si atraviesa el nuevo medio con el que se consigue cambiando de dirección y velocidad.

• Polarización

La onda de luz por dar un ejemplo es una onda no polarizada, debido a que la misma se compone de distintas ondas que pueden propagarse en distintas direcciones, cuando una onda de luz se polariza, lo que se hace, es cambiar la dirección solo de una onda específica haciendo que se propague únicamente en una dirección.

Función matemática de una onda

Cualquier onda transversal puede ser descrita fácilmente por la siguiente función matemática.

F(x,t) = A sin (wt -kx)                                             (1-1)

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En la misma, la amplitud A representa el valor pico de la onda o el máximo valor que puede tener la magnitud física que se está propagando, esta amplitud no necesariamente tiene que ser constante hay casos en donde puede variar su tamaño junto con el tiempo y posición.

El término kx hace uso del número de onda k = 2π/λ, en donde λ es el valor de la longitud de onda, el elemento “k” se utiliza para relacionar la distancia que recorre la onda con el valor en radianes que se debe introducir en la ecuación (1-1).

El término kx no es el único que se necesita para poder obtener un valor en específico de la magnitud que se propaga, sino que también se debe tomar en cuenta al término wt, en el mismo, “w” representa la frecuencia angular a la cual la onda recorre cierta cantidad de radianes por cada segundo, se utiliza para relacionar el desplazamiento de la onda en radianes con el tiempo.

Una vez obtenido el valor de la frecuencia angular “w” y el valor del número de onda “k” junto con la amplitud A se puede saber el valor de la magnitud física que se propaga en el espacio para una cierta posición “x” y un tiempo “t”.

Si le agregamos la fase Φ a la expresión anterior (1-1), obtenemos la siguiente expresión.

Y(x,t) = A sin (wt - kx + Φ)                                             (1-2)

La cual representa a una onda simple, en la cual su velocidad de propagación se obtendría de la siguiente manera.

V = w/K = λ/T = λf                                                          (1-3)

A la expresión (1-3) también se le conoce como velocidad de fase, ya que representa la velocidad a la cual se propaga una fase en particular de la onda.

Onda estacionaria

Las ondas estacionarias varían en amplitud, son ondas que se presentan en el espacio, pero no se propagan en él, se pueden describir mediante dos ondas que se propaguen en el espacio que lo hagan en sentidos opuestos, tal que al sumarlas su resultado sea la onda estacionaria, las propiedades de las ondas viajeras deben ser las mismas que las de la onda estacionaria.

Esto quiere decir que deben tener la misma frecuencia y amplitud, las ondas estacionarias aparecen cuando se establecen límites en cuanto a la propagación de la onda por ejemplo en una cuerda atada en ambos extremos.

Cuando esto ocurre la onda que se propaga al encontrar un bloqueo o límite se refleja e interfiere con la onda inicial para formar así la onda estacionaria.

Tipos de ondas

Son muchos tipos de ondas las que pueden existir y se agrupan fundamentalmente en cuatro grandes grupos, los cuales son:

Según el medio en el que se propagan

Dependiendo del medio en el que la onda se propague se pueden tener diferentes tipos de ondas, cada una con propiedades y características diferentes, entre las cuales están:

• Ondas mecánicas

Una onda mecánica es aquella que se desplaza en un medio elástico, es decir, aquel que le permite a las partículas restituir su posición de equilibrio a través de fuerzas de restauración que aparecen cuando las partículas se alejan del equilibrio, los medios entre los cuales se pueden presentar son sólido, líquido y gaseoso.

El conjunto de ondas que se van generando se conoce como la perturbación que se propaga en el espacio, en la misma se transporta energía pero no materia, esto se puede corroborar fácilmente con el ejemplo de una alfombra que se toma por uno de los extremos y se agita desde uno de ellos, en este proceso la alfombra no se desplaza solo se propaga la perturbación debida a la agitación por lo que no se transporta materia.

• Ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio para desplazarse en el espacio, por lo que pueden hacerlo en el vacío, las mismas se definen como dos ondas correspondientes a un campo eléctrico en relación a un campo magnético respectivamente, la velocidad a la cual se pueden propagar es igual a la velocidad de la luz en el vacío.

• Ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales tienen relación con la teoría de la relatividad, en las cuales sus propagaciones se conocen como cambios en el espacio-tiempo.

Según su dirección

La dirección se refiere al sentido que toman las propagaciones y el espacio en que se dan, las cuales pueden ser:

• Ondas unidimensionales

Como lo dice su nombre unidimensional representa a las ondas que se propagan en una sola dimensión, tales como las ondas en las cuerdas.

• Ondas bidimensionales

Básicamente son ondas que se propagan en dos dimensiones, por ejemplo las ondas que se generan cuando se lanza una piedra en una dirección adecuada al agua que se encuentra en reposo cambiando su superficie, por lo que también se conocen como ondas superficiales, puesto que pueden viajar en cualquier dirección de la superficie del medio.

• Ondas tridimensionales

Como lo dice su nombre su perturbación se propaga en tres dimensiones, un ejemplo de ellas es el sonido, el cual se expande en el espacio en forma de esferas concéntricas alejándose de la fuente que la genera.

Según el movimiento de las partículas

Esto se refiere al movimiento de las partículas respecto a la dirección en que se propaga la onda, entre las cuales están:

• Ondas longitudinales

Son aquellas en las que sus partículas se mueven paralelamente a la dirección en la que se propaga la onda, por ejemplo una onda sonora, las partículas se empujan una tras otra consecutivamente en la dirección en la que se propaga el sonido.

• Ondas transversales

Son aquellas en las que las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección en la que se propaga la onda, por ejemplo, la onda mecánica que se genera al hacer vibrar uno de los extremos de una cuerda.

• Consideración importante

Es importante tener en cuenta que no todas las ondas son solo longitudinales o solo transversales puesto que existen ondas en que las partículas se desplazan en ambas direcciones generando una trayectoria elíptica lo cual ocurre por ejemplo en las ondas que se generan en el agua.

Según su periodicidad

Esto se refiere a si una onda es periódica o no, tal y como se muestra a continuación:

• Ondas periódicas

Son todas las ondas que cumplen con la propiedad de que se repiten cada cierto tiempo, dicho tiempo se conoce como el período de la onda, y la repitencia con que sucede por unidad de tiempo se conoce como frecuencia.

• Ondas no periódicas

Las perturbaciones generadas no generan una onda que se repite periódicamente y sus ondulaciones consecutivas pueden tener diferentes características haciendo que no cumplan con los caracteres que debe tener una onda periódica.

Conclusión

Una onda puede abarcar un gran conjunto de fenómenos físicos debido a que la teoría que se encarga de su estudio solo se basa en los comportamientos que pueden tener dichos fenómenos independientemente de sus propiedades físicas, es decir, que el estudio se hace desde el punto de vista ondulatorio.

Las propiedades de cada onda según su origen físico, por ejemplo de una onda mecánica o una onda electromagnética deben adecuarse correctamente a los componentes de la onda, de modo que sus significados sean congruentes con la interpretación física de la onda o perturbación que se propaga en el espacio.

Pueden existir ondas longitudinales, transversales y un tercer tipo que es el resultado de la superposición de las dos primeras, todo dependerá del tipo de onda y del medio en el cual se esten propagando.