Onda (física)

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Propagación dunha onda

Unha onda é unha perturbación que se propaga a través do espazo e transporta enerxía.

Matematicamente dise que unha función calquera da posición e o tempo  \psi(\vec{r},t) é unha onda se verifica a Ecuación de Ondas:

\nabla^2 \psi(\vec{r},t) é unha onda se verifica a Ecuación de Ondas:

\nabla^2  \psi (\vec{r},t) = \frac{1}{v^2} {\partial \psi \over\partial t}(\vec{r},t) .

onde v é a velocidade de propagación da onda.

Por exemplo, certas perturbacións da presión dun medio chamadas son, verifican a ecuación anterior.

Ondas non lineais[editar | editar a fonte]

Algunhas ecuacións non lineais tamén teñen solucións ondulatorias, por exemplo, un solitón.

Tipos de ondas e as súas características[editar | editar a fonte]

Unha onda en movemento é unha perturbación que se despraza ou propaga dun punto a outro. As ondas mecánicas son as ondas que se propagan polo material, como ocorre, por exemplo, ó golpear un extremo dunha variña de metal cun martelo. Unha perturbación inicial, que se produce nun punto determinado do material, ocasionará a aplicación dunha forza nas partes de materiais adxacentes. Entón actuará a forza elástica para devolver o material á súa posición de equilibrio. Ao facelo, comprime as partículas adxacentes de tal maneira que a perturbación se afasta do foco. As partículas excédense no intento de volveren ás súas posicións orixinais, así que nun punto determinado unha compresión vén seguida dunha rarefacción (unha expansión). O paso da onda percíbese nas variacións de presión preto do punto de equilibrio ou pola velocidade das oscilacións. Este paso descríbese como oscilatorio o periódico.

Hai dous tipos principais de oscilación periódica: a transversal e a lonxitudinal (véxase gráfico 1 e 2). Nas ondas tranversais as vibracións son perpendiculares á dirección do desprazamento e nas ondas lonxitudinarias son paralelas ao desprazamento.

As ondas sonoras son comprensións e rarefaccións alternas de calquera material que actúe como medio para o desprazamento e lonxitudinais. As ondas da auga prodúcense polo vento ou algunha perturación doutro tipo. As partículas móvense en círculos verticais, de maneira que se producen desprazamentos tanto tranversais como lonxitudinais. Deste movemento nace o coñecido perfl de ondas, coas súas estreitas cimas e os seus amplos vales.

Nos movementos ondulatorios prodúcese unha transferecia de enerxía, que no caso das ondas sonoras, as ondas sísmicas e as ondas de auga é mecánica. Porén, o paso dunha onda por un medio tamén supón unha perda de enerxía. A amplitude diminúe e fálase dun amortecemento da onda. Hai dous procesos diferentes, a dispersión e máis a absorción. En moitos casos non hai absorción ou hai pouca, por exemplo, a radiación electromagnética do Sol trasládase polo espazo sen que se produza ningunha absorción, mais planetas máis distantes que a Terra reciben menos radiacións porque se teñen que irradiar por máis espazo e, xa que logo, a intensidade (a relación de pontencia e espazo) diminúe segundo unha lei de cadros inversos. O mesmo ocorre co son na atmosfera. Porén, nalgúns casos absórbese enerxía nun medio, como por exemplo cando a luz entra e expón unha película fotográfica o cando raios X entran no tecido humano. Na radiación homoxénea a absorción é exponencial, por exemplo, se a metade da radiación traspasa 1 mm de absorbente, un cuarto pasaría por 2 mm e un oitavo por 3 mm.

A frecuencia (f) do movemento ondulatorio defínese como o número de oscilacións completas ou ciclos por segundo. A unidade de frecuencia é o hertzio (Hz), que toma o nome do físico alemán Heinrich Rudolf Hertz: 1 hertz = ciclo por segundo. A amplitude é o desprazamento máximo desde a posición de equilibrio, a lonxitude de onda é a distancia entre dous máximos ou senos consecutivos da onda. A velocidade de propagación das comprensións ou a velocidade de fase da onda é igual ó produto da precuencia pola lonxitude de onda.

As ondas que se orixinan nun foco puntual propáganse cara a fóra, en tódalas direccións, formando frontes de onda que serán circulares ou esféricos ao se propagaren por un medio homoxéneo. Cando a distancia entre o fronte de onda e o foco é grande, pódese considerar como un fronte de onda plano.

As ondas clasifícanse atendendo a diferentes aspectos:

  1. en función da súa natureza (¿Propáganse no baleiro?):
    1. Ondas mecánicas. As ondas mecánicas necesitan un medio (sólido, líquido ou gasoso) para se propagaren. As partículas do medio oscilan ao redor dun punto fixo sen se desprazaren, sen que haxa transporte da materia que constitúe o medio. Como no caso dunha alfombra ou un látego cuxo extremo se sacode, a alfombra non se despraza, así e todo unha onda propágase á través súa.
    2. electromagnéticas. As ondas electromagnéticas propáganse polo espazo sen necesidade dun medio, puidendo, xa que logo, propagarse no baleiro. Isto é debido a que as ondas electromagnéticas son producidas pola oscilación dun campo eléctrico en relación cun campo magnético asociado.
  2. En función da súa propagación (¿como é a frontes de ondas?:
    1. ondas monodimensionais: As ondas monodimensionais son aquelas que se propagan ao longo dunha soa dirección do espazo, como as ondas nos peiraos ou nas cordas. Se a onda se propaga nunha dirección única, as súas frontes de onda son planas e paralelas.
    2. Onda bidimensionais ou superficiais: Son ondas que se propagan en dúas direccións. Poden propagarse, en calquera das direccións dunha superficie, por iso, denomínanse tamén ondas superficiais. Un exemplo serían as ondas que se producen na superficie dun lago cando se deixa caer unha pedra sobre el.
    3. Ondas tridimensionais ou esféricas: Son ondas que se propagan en tres direccións. As ondas tridimensionais coñécense tamén como ondas esféricas, porque as súas frontes de ondas son esferas radiais que saen da fonte de perturbación en tódalas direccións. O son é unha onda tridimensional. Son ondas tridimensionais as ondas sonoras (mecánicas) e as ondas electromagnéticas.
  3. En función da dirección da propagación
    1. ondas lonxitudinais:As partículas que transportan a onda vibran na mesma dirección de propagación da onda. Por exemplo, un peirao que se comprime dá lugar a unha onda lonxitudinal.
    2. ondas transversais:As partículas vibran perpendicularmente á dirección de propagación da onda.
  4. En función da súa periodicidade
    1. Ondas periódicas: A perturbación local que orixina as ondas prodúcese en ciclos repetitivos.
    2. Ondas non periódicas: A perturbación que orixina as ondas dáse illadamente ou, no caso de que se repita, as perturbacións sucesivas teñen características diferentes. As ondas illadas denomínanse tamén pulsos.

En telecomunicacións clasifícanse as ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función do emprego ao que están destinadas:

Clasificación das ondas en telecomunicacións
Sigla Rango Denominación Emprego
VLF
10 kHz a 30 kHz
Moi baixa frecuencia
Audiofrecuencias
LF
30 kHz a 300 kHz
Baixa frecuencia
radio, navegación
MF
300 kHz a 3 MHz
Frecuencia media
Radio de onda media
HF
3 MHz a 30 MHz
Alta frecuencia
Radio de onda curta
VHF
30 MHz a 300 MHz
Moi alta frecuencia
TV
UHF
300 MHz a 3 GHz
Ultra alta frecuencia
Radio, TV, radar
SHF
3 GHz a 30 GHz
Super alta frecuencia
Radar
EHF
30 GHz a 300 GHz
Extra alta frecuencia
Radar

Fenómenos ondulatorios[editar | editar a fonte]

Son fenómenos físicos que afectan á propagación das ondas.

A reflexión de ondas planas nunha superficie plana. O ángulo que hai entre a dirección do fronte de onda e a normal (unha liña perpendicular á superficie plana) é o ángulo de incidencia. O ángulo que hay entre a onda reflexada e a normal á superficie plana é o ángulo de reflexión (r). Os ángulos i e r son iguais. No gráfico 9 mostrase o comportamento de ondas reflexadas por superficies curvas. Se unha onda pasa de un medio a outro, a dirección de propagación cambia ou "dobrase" e dícese que hai unha refracción da onda. A onda desprazarase no medio 1 con unha volocidade v e incidirá na superficie do medio 2 con un ángulo de incidencia i. Entón a onda refractarase tal e como se mostra no gráfico 10, sendo r o ángulo de refracción. A nova velocidade que será menos que a anterior, se o medio 2 é máis denso que o medio 1, e maior que a velocidade inicial, se o medio 2 é menos denso que o medio 1. As velocidsades relacionanse según:

{v_1\over v_2 } = {sen(i)\over sen(r) }

sento a proporción de sen i/senr unha constante denominada índice de refracción do medio 2 con respecto ó medio 1. Oastrónomo holandés Willebrord Snell(1591-1626) formuló esta relación que tamén se coñece como lei de Snell.

As ondas normalmente avanzan en liña recta por un medio uniforme. Sen embargo,cando pasan por una rendixa cun ancho comparable á lonxitude de onda, dispersanse en forma de abanico, é dicir se difractan. Así as ondas poden dobrar as esquinas. Para unha onda sonora de 256 Hz a lonxitude de onda é duns 1.3 m, ou sexa, cercana ás dimensións das portas e ventás abertas. Se se proxecta un feixe de luz por unha soa rendixa ancha sobre unha pantalla preto a rendixa, obtense unha imaxe nítida e clara. Se se estreita a rendixa chegará un punto no cal a rendixa xa non se verá cada vez mñais estreita, senón unha pegada de difracción de bordes claros e ocuros. O principio de Huygens foi proposto en 1676 polo físico holandés Christiaan Huygens (1629-1695) para explicar as leis da reflexión e refracción. Postulou que a luz era un movemento ondulatorio. Cada punto de un frente de ondas é a súa vez un foco de ondas novas ou secundarias. O novo frente de ondas é a superficie que toca todos os frentes de ondas dos focos secundarios. A difracción expón os efectos de interferencia que se observan nunha luz que sae de unha porción continua de un frente de ondas, como a dunha rendixa estreita. O traballo do médico e físico británico Thomas Young (1773-1829) e outros finalmente deran a razón á teoria de Huygens.

Se varias ondas se desprazan por un medio, o resultado en todo momento e en calquera punto será a suma vectorial das amplitudes de cada onda. Este fenómeno coñécese como o principio de superposición. Cando dúas ou máis ondas se combinan de esta forma exhiben o fenomeno da interferencia. Se a amplitude da onda resultante é maior que as de cada onda individual, ten lugar unha interferencia constructiva; se é menor hai unha interferencia destructiva. Se dúas ondas sonoras con frecuencias lixeiramente diferentes e as mesmas amplitudes sonan á vez (por exemplo, dúas diapasóns), entón o son resultante ten o que se chama unha amplitude variable. Estas amplitudes variables chámanse pulsacións e a súa frecuencia denomínase frecuencia de pulsación. Dita frecuencia é igual á diferencia que hai entre as frecuencias das dúas notas orixinais. Ó afinar instrumentos musicais é de axuda escoitar pulsacións: canto máis seguidas sexan, máis afinado estará o instrumento.

  • Efecto Doppler - Efecto debido ao movemento relativo entre a fonte emisora das ondas e o receptor das mesmas.

Experimentos físicos[editar | editar a fonte]

Cuba de ondas - Descrición do dispositivo e experimentos que poden realizarse