Movimiento ondulatorio: cuando la energía viaja sin transportar materia
Actualizado: hace 1 día
Introducción
Todos los días estamos rodeados de ondas, aunque muchas veces no somos conscientes de ello. Cuando escuchamos música, hablamos por teléfono, vemos la televisión, sentimos una vibración, observamos las olas del mar o utilizamos una conexión Wi-Fi, estamos interactuando de alguna manera con fenómenos ondulatorios.
El movimiento ondulatorio es uno de los fenómenos más importantes de la física porque permite explicar cómo una perturbación puede desplazarse de un lugar a otro y transportar energía sin que necesariamente exista un desplazamiento permanente de la materia.
Comprender qué es una onda, cómo se propaga y qué tipos de ondas existen permite entender fenómenos tan diferentes como el sonido, la luz, los terremotos, las telecomunicaciones e incluso muchas tecnologías que utilizamos diariamente.
Video explicativo: Movimiento ondulatorio
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1. ¿Qué es una onda?
Una onda es una perturbación que se propaga a través de un medio o del espacio y que permite transportar energía de un punto a otro.
Una característica fundamental de las ondas es que, en general, transportan energía sin transportar materia de manera permanente.
Para comprender esta idea podemos imaginar una cuerda larga sostenida por dos personas. Si una de ellas mueve rápidamente uno de los extremos hacia arriba y hacia abajo, se generará una deformación que recorrerá la cuerda.
La cuerda no viaja de una persona a otra. Cada pequeña sección de la cuerda solamente se mueve alrededor de su posición original. Lo que realmente se desplaza a lo largo de ella es la perturbación y la energía asociada a ese movimiento.
Algo semejante ocurre cuando se lanza una piedra a un estanque. En el punto donde cae la piedra se produce una alteración de la superficie del agua. Posteriormente aparecen ondas circulares que se expanden alrededor del punto de impacto.
Aunque visualmente parece que el agua se desplaza hacia afuera, las partículas del agua principalmente oscilan alrededor de su posición. Lo que se propaga es la perturbación.
Una onda es una forma de transmitir energía mediante una perturbación que se propaga.
2. Perturbación y propagación de energía
Para que exista una onda debe ocurrir inicialmente algún tipo de perturbación. Una perturbación es una modificación temporal del estado de un sistema.
Puede consistir en:
mover una cuerda;
golpear un objeto;
producir una vibración;
hacer vibrar una bocina;
generar una alteración en un campo eléctrico;
dejar caer un objeto sobre el agua.
Supongamos que tenemos varias fichas de dominó colocadas muy cerca unas de otras. Cuando empujamos la primera ficha, esta transmite parte de su energía a la siguiente, que posteriormente afecta a otra y así sucesivamente. Aunque este ejemplo no representa exactamente una onda, permite comprender una idea importante: una alteración producida en un punto puede generar efectos en puntos vecinos.
En una onda ocurre algo similar. Una parte del sistema interactúa con otra y la perturbación comienza a propagarse.
El ejemplo de una cuerda
Si agitamos un extremo de una cuerda:
nuestra mano proporciona energía;
el primer segmento de la cuerda comienza a moverse;
este segmento ejerce fuerzas sobre los segmentos cercanos;
los siguientes segmentos comienzan también a moverse;
la perturbación se desplaza a través de toda la cuerda.
La energía originalmente proporcionada por nuestra mano termina desplazándose por el sistema. Esto significa que en el movimiento ondulatorio existe una diferencia importante entre el movimiento de las partículas y el movimiento de la onda.
Las partículas pueden oscilar en una región pequeña mientras la onda puede recorrer grandes distancias.
3. ¿Las ondas transportan materia?
Uno de los errores más frecuentes al estudiar las ondas es pensar que aquello que forma el medio se desplaza junto con la onda.
Imaginemos una hoja flotando sobre la superficie de un estanque. Si una onda pasa por esa zona, la hoja probablemente subirá y bajará e incluso puede realizar pequeños movimientos hacia adelante y hacia atrás. Sin embargo, después de que la onda pase, la hoja permanecerá aproximadamente en la misma región.
La onda continuó avanzando, pero la hoja no viajó con ella.
Esto demuestra que el movimiento ondulatorio permite transportar energía sin producir necesariamente un transporte neto de materia.
4. Ondas mecánicas
Las ondas mecánicas son aquellas que necesitan un medio material para poder propagarse. Ese medio puede ser un sólido, un líquido o un gas.
Las ondas mecánicas existen debido a las interacciones entre las partículas que forman el material. Cuando una partícula comienza a vibrar, puede transmitir parte de esa vibración a las partículas cercanas.
El sonido
Uno de los ejemplos más importantes de onda mecánica es el sonido.
Cuando una persona habla, sus cuerdas vocales vibran. Estas vibraciones producen cambios de presión en el aire. Las moléculas del aire comienzan a moverse ligeramente hacia adelante y hacia atrás y transmiten esta perturbación a las moléculas cercanas.
De esta manera, la onda sonora se propaga hasta llegar al oído de otra persona. El oído detecta esas variaciones de presión y el cerebro las interpreta como sonido.
Por esta razón, el sonido necesita un medio material. Puede propagarse mediante:
aire;
agua;
metales;
madera;
otros materiales.
Pero existe algo muy importante: el sonido no puede propagarse en el vacío.
Si no existen partículas que puedan transmitir la vibración, la onda sonora no puede avanzar. Por eso en el espacio exterior, donde existe una cantidad extremadamente pequeña de materia, no podríamos escuchar directamente una explosión como ocurre en muchas películas de ciencia ficción.
5. Ondas electromagnéticas
Existe otro tipo de ondas que funciona de manera muy diferente. Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse.
Están relacionadas con variaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a través del espacio. Gracias a esta característica pueden viajar incluso a través del vacío.
El ejemplo más conocido es la luz.
La luz proveniente del Sol puede recorrer aproximadamente 150 millones de kilómetros hasta llegar a la Tierra atravesando prácticamente el vacío del espacio. Si la luz necesitara aire u otro material para propagarse, la energía proveniente del Sol no podría llegar hasta nosotros.
Pero la luz solamente representa una parte de una familia mucho más amplia llamada espectro electromagnético.
Dentro de este espectro encontramos:
ondas de radio;
microondas;
radiación infrarroja;
luz visible;
radiación ultravioleta;
rayos X;
rayos gamma.
Todas ellas son ondas electromagnéticas. La principal diferencia entre unas y otras se encuentra relacionada con características como su frecuencia y longitud de onda.
6. Ondas electromagnéticas en nuestra vida diaria
Las ondas electromagnéticas son fundamentales para muchas tecnologías actuales.
Radio y televisión
Las estaciones de radio y televisión utilizan ondas electromagnéticas para transmitir señales desde una antena hasta los dispositivos receptores.
Telefonía celular
Cuando realizamos una llamada o utilizamos datos móviles, nuestro teléfono envía y recibe información mediante ondas electromagnéticas.
Wi-Fi
Un router inalámbrico transmite información utilizando ondas electromagnéticas, normalmente dentro de determinadas bandas de frecuencia. Cuando un teléfono o una computadora se conecta a una red Wi-Fi, constantemente intercambia información con el punto de acceso mediante estas ondas.
Control remoto
Muchos controles remotos utilizan radiación infrarroja para enviar instrucciones a un televisor. Cuando presionamos un botón, el control produce una señal infrarroja que contiene información que el televisor puede interpretar.
7. Ondas transversales
Las ondas también pueden clasificarse dependiendo de la dirección en la que vibran las partículas o los campos respecto a la dirección en que se desplaza la onda.
Una onda transversal es aquella en la que la perturbación ocurre en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
Imaginemos nuevamente una cuerda extendida horizontalmente. Si movemos uno de sus extremos hacia arriba y hacia abajo, generaremos una onda que avanzará horizontalmente.
En este caso:
la onda avanza horizontalmente;
los puntos de la cuerda se mueven verticalmente.
Las dos direcciones forman aproximadamente un ángulo de 90°. Por eso se considera una onda transversal.
Movimiento de la cuerda: ↑ ↓ ↑ ↓
Dirección de propagación: → → → →
El movimiento de las partículas ocurre perpendicularmente a la dirección en la que avanza la onda.
Las ondas electromagnéticas, incluida la luz, tienen comportamiento transversal.
8. Ondas longitudinales
En una onda longitudinal, las partículas del medio vibran aproximadamente en la misma dirección en la que se propaga la onda.
El ejemplo más conocido es nuevamente el sonido.
Cuando una bocina comienza a vibrar, su membrana se mueve hacia adelante y hacia atrás. Cuando se mueve hacia adelante comprime las moléculas de aire cercanas. Cuando se mueve hacia atrás genera una región donde las moléculas se encuentran más separadas.
De esta forma aparecen dos regiones características:
Compresiones: regiones donde las partículas se encuentran más juntas.
Rarefacciones: regiones donde las partículas se encuentran más separadas.
Estas regiones se propagan por el aire formando la onda sonora.
Compresión: ||||||||||
Rarefacción: | | | |
Otra compresión: ||||||||||
La secuencia de compresiones y rarefacciones se desplaza por el medio mientras las moléculas solamente realizan pequeños movimientos hacia adelante y hacia atrás.
9. Diferencia entre ondas transversales y longitudinales
La principal diferencia se encuentra en la relación entre la dirección de vibración y la dirección de propagación.
En una onda transversal, la vibración ocurre perpendicularmente al desplazamiento de la onda. Un ejemplo típico es una onda producida en una cuerda.
En una onda longitudinal, la vibración ocurre aproximadamente en la misma dirección que la propagación. El ejemplo más representativo es el sonido en el aire.
Podemos resumirlo de la siguiente manera:
Transversal: movimiento perpendicular a la propagación; ejemplo: onda en una cuerda.
Longitudinal: movimiento paralelo a la propagación; ejemplo: sonido en el aire.
Electromagnética: campos eléctricos y magnéticos oscilantes; ejemplos: luz, radio y Wi-Fi.
10. Ejemplos cotidianos del movimiento ondulatorio
El movimiento ondulatorio aparece constantemente en nuestra vida cotidiana.
Las olas del agua
Cuando lanzamos una piedra al agua, la energía del impacto produce ondas que se expanden sobre la superficie. La energía viaja alejándose del punto donde cayó la piedra.
Una cuerda
Si movemos rápidamente un extremo de una cuerda, podemos observar una perturbación desplazándose a través de ella. Es uno de los ejemplos más sencillos para visualizar una onda transversal.
El sonido de una bocina
La membrana de una bocina vibra y produce variaciones de presión en el aire. Estas variaciones se propagan hasta nuestros oídos.
Una guitarra
Cuando se toca una cuerda de guitarra, esta comienza a vibrar. La vibración se transmite al cuerpo del instrumento y posteriormente al aire, generando ondas sonoras que podemos escuchar.
Una llamada telefónica
Nuestra voz inicialmente genera una onda sonora. El teléfono transforma esa información en señales eléctricas y posteriormente puede transmitirla mediante ondas electromagnéticas. En otro dispositivo, esas señales vuelven a convertirse en sonido.
En este proceso pueden intervenir varios tipos de ondas.
Wi-Fi
Cuando vemos un video mediante una conexión inalámbrica, la información llega al dispositivo utilizando ondas electromagnéticas. Aunque no podemos observarlas directamente, constantemente existen señales propagándose alrededor de nosotros.
El horno de microondas
Este aparato utiliza ondas electromagnéticas llamadas microondas para transferir energía a determinados componentes de los alimentos, produciendo calentamiento.
La luz del Sol
La energía proveniente del Sol viaja hasta la Tierra mediante ondas electromagnéticas. Gracias a esta energía podemos observar nuestro entorno y se mantienen numerosos procesos naturales indispensables para la vida.
11. Una ola humana en un estadio
Existe un ejemplo que permite comprender muy fácilmente el movimiento ondulatorio.
Imaginemos a miles de personas sentadas alrededor de un estadio. Un grupo de personas se levanta y vuelve a sentarse. Inmediatamente después, el grupo de al lado realiza la misma acción. Posteriormente lo hace el siguiente grupo.
Desde lejos podemos observar una especie de onda que recorre las gradas. Sin embargo, ninguna persona corre alrededor del estadio. Cada individuo solamente se levanta y vuelve a sentarse.
Lo que se desplaza es el patrón de movimiento.
Este ejemplo ayuda a comprender una característica esencial del movimiento ondulatorio: la perturbación puede desplazarse mientras las partículas que forman el sistema permanecen alrededor de su posición original.
12. ¿Por qué es importante estudiar las ondas?
El estudio del movimiento ondulatorio permite comprender numerosos fenómenos naturales. También constituye la base de muchas tecnologías modernas.
Algunas aplicaciones incluyen:
telecomunicaciones;
radio;
televisión;
telefonía móvil;
Wi-Fi;
fibra óptica;
radares;
sistemas de navegación;
ultrasonido médico;
radiografías;
astronomía;
análisis de terremotos;
instrumentos musicales.
Por ejemplo, los sismólogos estudian las ondas producidas durante los terremotos para obtener información acerca de lo que ocurre en el interior de la Tierra.
Los médicos utilizan ondas sonoras de alta frecuencia mediante equipos de ultrasonido para obtener imágenes del interior del cuerpo humano.
Los astrónomos analizan diferentes tipos de ondas electromagnéticas provenientes del espacio para estudiar estrellas, galaxias y otros objetos extremadamente lejanos.
De esta manera, el estudio de las ondas no solamente explica fenómenos cotidianos, sino que permite investigar regiones del universo que nuestros sentidos no podrían detectar directamente.
Conclusión
El movimiento ondulatorio constituye una de las formas fundamentales mediante las cuales la energía puede propagarse.
Una onda puede definirse como una perturbación que se desplaza a través de un medio o del espacio y que transporta energía sin producir necesariamente un transporte permanente de materia.
Las ondas pueden clasificarse de distintas maneras.
Las ondas mecánicas necesitan un medio material para propagarse, como ocurre con el sonido.
Las ondas electromagnéticas pueden propagarse incluso en el vacío, como sucede con la luz, las ondas de radio y las señales utilizadas por los sistemas Wi-Fi.
También podemos distinguir entre ondas transversales, donde la perturbación ocurre perpendicularmente a la dirección de propagación, y ondas longitudinales, donde las partículas vibran en la misma dirección aproximada en la que se desplaza la onda.
Desde una cuerda que vibra hasta la luz proveniente de una estrella situada a millones de kilómetros, el mismo concepto físico permite comprender fenómenos aparentemente muy diferentes.
Estudiar las ondas significa comprender cómo una alteración producida en un lugar puede transmitir energía e información hacia otro punto.
En cierto sentido, gran parte del universo que conocemos llega hasta nosotros mediante ondas: escuchamos gracias a ellas, vemos gracias a ellas y nos comunicamos a enormes distancias gracias a ellas.
Siguiente lectura: propiedades de las ondas
Continúa con amplitud, longitud de onda, periodo, frecuencia, velocidad de propagación, gráficas y ejercicios resueltos.
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