Ondas:Ondas:Nociones básicas generalesNociones básicas generales

Taller de Introducción a las Taller de Introducción a las Ciencias de la Atmósfera - TICACiencias de la Atmósfera - TICACurso 2017Curso 2017

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¿Qué es una onda?

Cuando pensamos en la palabra "onda" normalmente imaginamos a alguien que mueve su mano hacia atrás y hacia delante para decir hola o tal vez en una ola en movimiento en el océano que se estrella en la playa.

En física, una onda es una perturbación itinerante que viaja por el espacio y la materia transfiriendo energía de un lugar a otro. Al estudiar las ondas es importante recordar que transfieren energía, no materia.

Ondas en la vida cotidiana

Hay muchas ondas que nos rodean en la vida cotidiana. El sonido es un tipo de onda que se mueve a través de la materia y luego hace vibrar nuestros tímpanos para que podamos oír. La luz es un tipo especial de onda que se compone de fotones que nos ayuda a ver. Se puede tirar una piedra en un estanque y ver la forma ondas en el agua. Incluso utilizamos ondas (microondas) para cocinar nuestra comida rápidamente.

Tipos de ondasLas ondas se pueden dividir en varias categorías dependiendo de sus características. A continuación se describen algunos de los diferentes términos que los científicos usan para describir las ondas.

Ondas mecánicas y Ondas Electromagnéticas

Todas las ondas se pueden clasificar como mecánicas o electromagnéticas

Las ondas mecánicas son ondas que requieren un medio. Esto significa que tienen que tener algún tipo de materia para desplazarse. Estas ondas viajan cuando las moléculas en el medio chocan entre sí transmitiendo energía. Un ejemplo de una onda mecánica es el sonido. El sonido puede viajar a través del aire, el agua o sólidos, pero no puede viajar a través del vacío. Se necesita un medio para ayudar a que se desplacen. Otros ejemplos son las ondas en el agua, las ondas sísmicas, y las ondas que viajan a través de un resorte.

Las ondas electromagnéticas son ondas que pueden viajar a través del vacío (espacio vacío). No necesitan un medio o materia. Viajan a través de campos eléctricos y magnéticos que se generan por las partículas cargadas. Ejemplos de ondas electromagnéticas incluyen la luz, microondas, ondas de radio y rayos-X.

Ondas transversales y ondas longitudinalesOtra manera de describir una onda es por la dirección en que viaja su perturbación.

Las ondas transversales son ondas donde la perturbación se mueve perpendicular a la dirección de la onda. Se puede pensar en una onda moviéndose de izquierda a derecha, mientras que la perturbación se mueve hacia arriba y hacia abajo. Un ejemplo de una onda transversal es una onda en el agua, donde el agua se mueve hacia arriba y hacia abajo a medida que la onda pasa a través del océano. Otros ejemplos incluyen una cadena oscilante y una ola de fanáticos en un estadio (las personas se mueven arriba y abajo mientras que la onda se mueve alrededor del estadio).

Las ondas longitudinales son ondas donde la perturbación se mueve en la misma dirección que la onda. Un ejemplo de esto es una onda en movimiento a través de un resorte extendido. Si comprime una parte del resorte y se lo suelta, la ola se moverá de izquierda a derecha. Al mismo tiempo, la perturbación (que está en las bobinas del muelle en movimiento), también se mueve de izquierda a derecha. Otro ejemplo clásico de una onda longitudinal es el sonido. Como las ondas sonoras se propagan a través de un medio, las moléculas chocan entre sí en la misma dirección en que el sonido se está moviendo.

En la imagen de arriba la onda superior es transversal y la inferior es longitudinal.

Onda transversalOnda transversal

Onda longitudinalOnda longitudinal

Datos interesantes sobre las ondas

Las ondas en el océano se generan principalmente por el viento moviéndose a través de la superficie del océano.

El "medio" es la sustancia o material que transporta una onda mecánica.

Una de las cosas más importantes para recordar acerca de las ondas es que transporte energía, no materia. Esto las hace diferente de otros fenómenos en la física.

Muchas ondas no pueden verse, como las microondas y las ondas de radio.

Una de las olas más altas, de casi 30 metros (98 pies), fue medida en mar abierto, con un viento Beaufort 9, cerca de la isla de Rockall, a 250 kilómetros (155 millas) al oeste de Escocia.

Hay muchas propiedades que los científicos usan para describir las ondas. Incluyen la amplitud, frecuencia, periodo, longitud de onda, velocidad y la fase. Cada una de estas propiedades se describe con más detalle a continuación.

Graficando una ondaAl dibujar una onda en un gráfico, aparece como una instantánea en el tiempo. El eje vertical es la amplitud de la onda mientras que el eje horizontal puede ser o bien la distancia o el tiempo

En esta imagen se puede ver que el punto más alto de la gráfica de la onda se llama la cresta y el punto más bajo se llama el valle o seno. La línea a través del centro de la onda es la posición de reposo cuando no hay una onda que pase. Podemos determinar una serie de propiedades ondulatorias a partir de la gráfica.

Amplitud La amplitud de una onda es una medida del desplazamiento de la onda a partir de su posición de reposo. La amplitud se muestra en el gráfico siguiente

La amplitud se calcula generalmente en una gráfica de la onda midiendo la altura desde la posición de reposo.

La amplitud es una medida de la fuerza o intensidad de la onda. Por ejemplo, en una onda de sonido la amplitud medirá el volumen del sonido. La energía de la onda también varía en proporción directa a la amplitud de la onda.

Longitud de onda La longitud de onda de una onda es la distancia entre dos puntos correspondientes a un ciclo de esta onda. Esto se puede medir entre dos crestas o dos valles de una onda. La longitud de onda se suele representar en física por la letra griega lambda (λ).

Frecuencia y Periodo La frecuencia de una onda es el número de veces por segundo que la onda cicla. La frecuencia se mide en hercios o ciclos por segundo. La frecuencia es a menudo representada por la letra minúscula "f".

El período de la onda es el tiempo entre crestas (o valles) de las olas. El período se mide en unidades de tiempo, como el segundo. El período por lo general está indicado por "T."

El período y la frecuencia están estrechamente relacionados entre sí. El período es igual a 1 sobre la frecuencia y la frecuencia es igual a uno sobre el período. Son recíprocos el uno del otro, como se muestra en las siguientes fórmulas

periodo = 1 / frecuencia o T = 1 / f

frecuencia = 1 / período o f = 1 / T

(También se define = 2f como la frecuencia angular o pulsación)

Velocidad o rapidez de una onda

Otra propiedad importante de una onda es la velocidad de propagación. Esta es la rapidez con que la perturbación ondosa se está moviendo. La velocidad de las ondas mecánicas depende del medio que la onda está atravesando. Por ejemplo, el sonido viajará a una velocidad diferente en el agua que en el aire.

La velocidad de una onda se suele representar por la letra “c". La velocidad se puede calcular multiplicando la frecuencia por la longitud de onda.

velocidad = Frecuencia * Longitud de onda o c = f . λ

Cuando las ondas se encuentran con nuevos medios, barreras, u otras ondas pueden comportarse de diferentes maneras. La física de estos comportamientos se describe utilizando algunos de los términos siguientes.

Reflexión La palabra "reflejo" o “reflexión”se utiliza en la vida cotidiana para describir lo que vemos en un espejo o en la superficie del agua. En física, un reflejo es cuando una onda se encuentra con un nuevo medio que actúa como una barrera, causando que la ola vuelva al medio original. La ola se "refleja" fuera de la barrera en un ángulo que es igual al ángulo incidente de la onda que golpea la barrera (ver más abajo).

Comportamiento de las ondas

Refracción La refracción de una onda se produce cuando una onda cambia de dirección al pasar de un medio a otro. Junto con el cambio de dirección, la refracción también provoca un cambio en la longitud de onda y la velocidad de la onda. La cantidad de cambio en la onda debido a la refracción depende del índice de refracción de los medios.

Un ejemplo de refracción es un prisma. Cuando la luz blanca entra en el prisma, se refractan las

diferentes longitudes de onda de la luz. Las diferentes longitudes de onda de la luz se refractan de forma diferente y la luz se divide en un espectro

de colores.

Difracción La difracción se produce cuando una onda permanece en el mismo medio, pero se desvía alrededor de un obstáculo. Esto puede ocurrir cuando la onda se encuentra con un pequeño objeto en su trayectoria o cuando la onda es forzada a través de una pequeña abertura. Un ejemplo de la difracción aparecen en las ondas en el agua que siguen a un barco. Las olas detrás del barco se difractan o desvían. o

La difracción de la luz se puede ver en el borde brillante difuso alrededor de las nubes (“silver lining”), así como en los patrones de luz en la superficie de un disco compacto.

Un ejemplo de una onda difractada que pasa a través de una pequeña abertura

En esta imagen la onda de luz no polarizada viaja a través del filtro y después se polariza a lo largo de un único plano.

Polarización La polarización ocurre cuando una onda oscila en una dirección particular. Las ondas de luz a menudo se polarizan usando un filtro polarizador. Sólo las ondas transversales pueden ser polarizadas. Las ondas longitudinales, como el sonido, no pueden ser polarizadas porque siempre viajan en la misma dirección de la onda.

Absorción

La absorción ocurre cuando una onda entra en contacto con un medio y hace que las moléculas del medio vibren y se muevan. Esta vibración absorbe o toma algo de la energía de la onda y la energía que se refleja es menor.

Un ejemplo de absorción es el pavimento negro que absorbe la energía de la luz. El pavimento negro se calienta absorbiendo las ondas de luz y muy poco de esta luz se refleja haciendo que el pavimento parezca negro. Una raya blanca pintada en el pavimento reflejará más luz y absorberá menos. Como resultado, la raya blanca estará menos caliente.

Interferencia Se denomina interferencia cuando una onda entra en contacto e interactúa con otra onda. Cuando las ondas se encuentran la onda resultante tendrá la amplitud de la suma de las dos ondas que interfieren.

Dependiendo de la fase de las ondas la interferencia puede ser constructiva o destructiva. Si la onda resultante tiene una amplitud mayor que las ondas de interferencia, de denomina interferencia constructiva. Si tiene una amplitud menor se llama interferencia destructiva.

Tipos de Ondas Electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas son una forma de ondas de energía que tienen tanto un campo eléctrico como magnético. Las ondas electromagnéticas son diferentes de ondas mecánicas en que pueden transmitir energía y viajar a través del vacío.

Las ondas electromagnéticas se clasifican según su frecuencia. Los diferentes tipos de ondas tienen diferentes usos y funciones en nuestra vida cotidiana. El más importante de ellos es la luz visible, lo que nos permite ver.

Ondas de radio Las ondas de radio tienen las longitudes de onda más largas de las todas las ondas electromagnéticas. Éstos van desde alrededor de centímetros de largo hasta cientos de kilómetros. Las ondas de radio se utilizan a menudo para transmitir datos y se han utilizado para todo tipo de aplicaciones, incluyendo radio, satélites, radar, y redes de ordenadores.

Microondas Las microondas son más cortas que las ondas de radio con longitudes de onda medidas en centímetros. Utilizamos microondas para cocinar los alimentos, la transmisión de información, como en el radar que nos ayuda a predecir el tiempo. Las microondas son útiles en la comunicación, ya que pueden penetrar las nubes, el humo y la lluvia ligera. El universo está lleno de microondas cósmicas de la radiación de fondo que los científicos creen que son pistas sobre el origen del universo que ellos llaman el “Big Bang”.

Infrarrojo Entre las microondas y la luz visible aparecen las ondas infrarrojas. Las ondas en el infrarrojo se clasifican a veces como "cercanas" y "lejanas". Las ondas del infrarrojo cercano son las que se acercan más a la longitud de onda de la luz visible. Estas ondas infrarrojas se utilizan en el control remoto del televisor para cambiar de canal. Las ondas en el infrarrojo lejano tienen su longitud de onda más alejada de la luz visible, son térmicas y desprenden calor. Cualquier cosa que emite calor irradia ondas infrarrojas. ¡Esto incluye el cuerpo humano!

La luz visible El espectro de luz visible abarca las longitudes de onda que pueden ser vistas por el ojo humano. Es un rango de longitudes de onda que va de 390 a 700 nm , correspondiendo a las frecuencias de 430 a 790 THz.

Ultravioleta Las ondas ultravioleta tienen la longitud de onda más corta después de la luz visible. Los rayos ultravioletas son los que causan las quemaduras del sol. Estamos protegidos de los rayos ultravioletas del sol por la capa de ozono. Algunos insectos, como los abejorros, pueden ver la luz ultravioleta. La luz ultravioleta se utiliza en poderosos telescopios, como el Telescopio Espacial Hubble, para ver estrellas muy lejanas.

La ciencia del espectro de la luz

En el espectro de la luz visible, el color de la luz depende de la frecuencia. El espectro visible es siempre el mismo para un arco iris o la luz separada de un prisma. El orden de los colores es rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.

Región visible del espectro electromagnético

Los colores de la luz Lo que estamos viendo cuando vemos un objeto es la luz reflejada. Cuando la luz golpea un objeto algunas longitudes de onda son absorbidas por ese objeto y algunos se reflejan. La luz de diferentes longitudes de onda se ve como diferentes colores. Cuando vemos un objeto de un determinado color significa que la luz de longitud de onda de ese color se refleja desde el objeto. Por ejemplo, cuando usted ve una camisa roja, la camisa está absorbiendo todos los colores de la luz, excepto por el color rojo. La frecuencia de la luz que vemos como el rojo se refleja y vemos esa camisa tan roja.

El blanco y el negro son un poco diferentes a los otros colores. El blanco es una combinación de todos los colores, así que cuando vemos blanco, el objeto refleja todos los colores de la luz de la misma. El negro es el opuesto. Cuando vemos un objeto negro significa que casi todos los colores de la luz están siendo absorbidos.

Los colores aditivos La luz de los tres colores primarios aditivos se pueden combinar para hacer cualquier otro color. Estos tres colores son el rojo, azul y verde. Este hecho se usa todo el tiempo en la tecnología, tales como pantallas de ordenadores y televisores. Al combinar sólo los tres tipos principales de luz en diversas formas, puede obtenerse cualquier color.

Colores sustractivos Si se tiene luz blanca y se quiere restar colores para obtener cualquier otro color, se usarían los colores sustractivos primarios para filtrar o eliminar la luz de ciertos colores. Los colores sustractivos primarios son cian, magenta y amarillo.Son los que se usan en las impresoras de tinta.

Colores Primarios Aditivos (RGB : por sus siglas en inglés R = Red, G = Green y B = Blue)

Mezclando

Verde + Azul = CianRojo + Azul = MagentaRojo + Verde = AmarilloRojo + Azul + Verde = Blanco

Colores Primarios Sustractivos (CMYK : acrónimo de Cian, Magenta, Yellow y Key o Negro)

Pantalla

Papel

El Cian es el opuesto al Rojo por lo tanto actúa sobre él y lo absorbe, el Amarillo es el opuesto al Azul y el Magenta es el opuesto al Verde.

Rayos X Los rayos X tienen longitudes de onda aún más cortas que los rayos ultravioleta. En este punto del espectro electromagnético, los científicos comienzan a considerar a estos rayos más como partículas que como ondas. Los rayos X fueron descubiertos por el científico alemán Wilhelm Roentgen. Pueden penetrar los tejidos blandos como la piel y los músculos y se utilizan en medicina para tomar imágenes de rayos X de los huesos.

Los rayos gammaA medida que las longitudes de onda de las ondas electromagnéticas se hacen más cortos, aumenta su energía. Los rayos gamma son las ondas más cortas del espectro y, como consecuencia, tienen más energía. Los rayos gamma se utilizan a veces en el tratamiento de cáncer y en la toma de imágenes detalladas para la medicina de diagnóstico. Los rayos gamma se producen en explosiones nucleares y supernovas de alta energía.