II.1.1 - Principal característica de una onda
II.1.2 - Hablando en nuestro idioma: las matemáticas
II.1.3 - Ondas mecánicas y electromagnéticas
II.1.4 - Representación gráfica de ondas

Tenemos un tema, el de las ondas o del movimiento ondulatorio, que debería ser de gran interés para un alumno que realice estudios de óptica. También es un tema muy interesante bajo el punto de vista de nuestro deseo por describir científicamente la naturaleza, además de resultar de una belleza no simplemente formal, como sucede con muchos de los temas que tratamos desde la Física, sino de una belleza natural ¿alguien puede quedar indiferente ante un arco iris?. El estudio de los fenómenos ondulatorios ha producido aplicaciones prácticas de gran importancia, las gafas, las lentillas o las lentes intraoculares que muchos de nosotros, por desgracia tenemos que llevar, es un buen ejemplo.

Tema de lectura: ¿Cómo se forma el arco iris? Ver simulación en: http://www.ub.edu/javaoptics/docs_applets/Doc_DisperEs.html Grupo de Innovación Docente en Óptica Física y Fotónica. Universitat de Barcelona

Imagen capturada del applet “Dispersión de la luz” en: http://www.ub.edu/javaoptics/applets/DisperEs.html (Universitat de Barcelona)

VÍDEO ARCO IRIS CIRCULAR

Muchos fenómenos de transmisión de información son ondas, estás leyendo estas palabras porque una “onda electromagnética” viaja desde estos signos hasta tus ojos, también es una “onda electromagnética” la que te permite hablar por tu móvil, y cuando te cuentan un chiste una “onda de presión” es la encargada de transmitir la información desde la boca de tu colega hasta tus oídos y una “onda eléctrica” la llevará desde los oídos hasta el cerebro…… Lo que tratemos en este tema nos ayudará a conocer fenómenos tan interesantes como qué son los colores, tan espectaculares como el arco iris o tan importantes para un óptico como el mecanismo de captación de imágenes por los ojos, el funcionamiento de las gafas y su utilización para corregir los problemas de visión.

Veamos qué características son comunes a fenómenos tan diversos. Vamos a poner un ejemplo que no tiene todas las propiedades del movimiento ondulatorio pero posee el más básico y nos resultará muy familiar. Supongamos que por la autovía vamos todos a la misma velocidad, como refleja la siguiente simulación.

Haz clic sobre Anima, aparecerán un grupo de coches que viajan con la misma velocidad. Supongamos que uno de los coches frena, el resto de los coches tendrá que ir frenando y rápidamente obtendremos una situación como la que muestra la siguiente figura.

Vemos que la distancia entre los coches varía, al cabo de un tiempo esta modificación de la distancia entre los coches se va propagando hacia los coches que vienen detrás.

Otros ejemplos de propagación de perturbaciones pueden ser la ola que se realiza en los estadios deportivos, ver http://maloka.org/fisica2000/waves_particles/stadium_wave.html, o las piezas de dominó situadas de tal modo que al caer una de ellas esta caída se propaga a toda la fila. En estos tres ejemplos participan activamente las personas y muestran con claridad la característica principal de una onda: Una perturbación que se propaga, pero, como veremos más adelante, no cumplen muchas de las propiedades que poseen las ondas que nos encontramos en la naturaleza.

Veamos otra situación. Supongamos una cuerda tensa uno de cuyos extremos podemos desplazar a nuestra voluntad, la modificación que realicemos en este extremo se desplazará a lo largo de la cuerda. En este caso los átomos de la cuerda se encuentran unidos y al tirar verticalmente de uno de ellos este hace lo propio con el siguiente y así sucesivamente, a este tipo de ondas las llamaremos mecánicas, existen otras ondas, las electromagnéticas y entre ellas la luz, que tienen un mecanismo diferente, no necesitan de materia formada por átomos para su propagación.

Lo mismo podríamos haber hecho con un muelle de constante de recuperación pequeña, en este caso podemos realizar desplazamientos en vertical o en horizontal encontrando así dos tipos de ondas que llamaremos trasversales o longitudinales dependiendo de que la perturbación sea perpendicular a la dirección de propagación o en la misma dirección.

A la vista de lo expuesto, diremos que:

La perturbación puede ser los desplazamientos de una cuerda de arpa iniciados por la acción de los dedos del arpista o un rayo de sol que alcanza nuestros ojos después de viajar desde nuestra estrella. Para traducir esta expresión a una mucho más compacta utilizamos símbolos matemáticos:

y = f(x, t)

De las posibles ondas que conocemos hay muchos aspectos que resultarán comunes a todas ellas y también diferencias relevantes.

Puede ser que una onda consista en un solo pulso o bien un tren de pulsos que pueden producirse en forma periódica.

En la siguiente simulación podremos visualizar, en la primera animación, un pulso transversal, si desactivamos el pulso tendremos una onda armónica transversal, Además de la representación de la onda en el espacio también podemos ver la representación de la perturbación en un punto en función del tiempo.

En la siguiente imagen se muestra una instantánea de la simulación en un momento dado.

En la parte superior se muestra el desplazamiento del punto rojo en función del tiempo, como vemos la variación espacial y temporal tienen formas similares, este hecho, cómo varía la señal con el espacio y con el tiempo, lo trataremos con detalle en el siguiente apartado.

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