Onda (física)

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: 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.

Física ondulatoria

Chámaselle ás veces Física ondulatoria á parte da Física que se encarga da propagación das ondas, entrando parte dela na mecánica (mecánica ondulatoria) e parte dela no electromagnetismo (propagación de ondas electromagnéticas), e aínda parte na mecánica cuántica, que ten na relación onda-partícula a súa base.

Tipos de ondas e as súas características

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, ao 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 ou periódico.

Hai dous tipos principais de oscilación periódica: a transversal e a lonxitudinal (véxase gráfico 1 e 2). Nas ondas transversais 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 transversais como lonxitudinais. Deste movemento nace o coñecido perfil de ondas, coas súas estreitas cimas e os seus amplos vales.

Nos movementos ondulatorios prodúcese unha transferencia 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 mais 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 potencia 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 hertz (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 ao produto da frecuencia 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 a fronte de onda e o foco é grande, pódese considerar como unha fronte de onda plana.

As ondas clasifícanse atendendo a diferentes aspectos:

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. Ondas electromagnéticas. As ondas electromagnéticas propáganse polo espazo sen necesidade dun medio, podendo, 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.
En función da súa propagación (¿como é a fronte 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. Ondas bidimensionais ou superficiais: Son ondas que se propagan en dúas direccións. Poden propagarse en calquera das direccións dunha superficie, por iso se denominan 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.
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.
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

Son fenómenos físicos que afectan á propagación das ondas.

Reflexión e refracción

A reflexión de ondas planas nunha superficie plana. O ángulo que hai entre a dirección da fronte de onda e a normal (unha liña perpendicular á superficie plana) é o ángulo de incidencia. O ángulo que hai entre a onda reflectida e a normal á superficie plana é o ángulo de reflexión (r). Os ángulos i e r son iguais. No gráfico 9 móstrase o comportamento de ondas reflectidas por superficies curvas. Se unha onda pasa dun medio a outro, a dirección de propagación cambia ou "dóbrase" e dise que hai unha refracción da onda. A onda desprazarase no medio 1 cunha velocidade v e incidirá na superficie do medio 2 cun 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 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 velocidades relaciónanse segundo:

${v_{1} \over v_{2}}={sen(i) \over sen(r)}$

sendo a proporción de sen i /senr unha constante denominada índice de refracción do medio 2 con respecto ao medio 1. O astrónomo holandés Willebrord Snell (1591-1626) formulou esta relación que tamén se coñece como lei de Snell.

Difracción

As ondas normalmente avanzan en liña recta por un medio uniforme. Non obstante, cando pasan por unha fenda cun ancho comparable á lonxitude de onda, dispérsanse en forma de abanico, é dicir difráctanse. 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, próxima ás dimensións das portas e ventás abertas. Se se proxecta un feixe de luz por unha soa fenda ancha sobre unha pantalla preto da fenda, obtense unha imaxe nítida e clara. Se se estreita a fenda chegará un punto no cal esta xa non se verá cada vez máis estreita, senón unha pegada de difracción de bordos claros e escuros. O Principio de Huygens-Fresnel 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 dunha fronte de ondas é á súa vez un foco de ondas novas ou secundarias. A nova fronte de ondas é a superficie que toca tódalas frontes de ondas dos focos secundarios. A difracción expón os efectos de interferencia que se observan nunha luz que sae dunha porción continua dunha fronte de ondas, como a dunha fenda estreita. O traballo do médico e físico británico Thomas Young (1773-1829) e outros finalmente deron a razón á teoría de Huygens.

Interferencia

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 desta forma exhiben o fenómeno da interferencia. Se a amplitude da onda resultante é maior que as de cada onda individual, ten lugar unha interferencia construtiva; se é menor hai unha interferencia destrutiva. Se dúas ondas sonoras con frecuencias lixeiramente diferentes e as mesmas amplitudes soan á vez (por exemplo, dous 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 diferenza que hai entre as frecuencias das dúas notas orixinais. Ao 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.

Ondas non lineais

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

Experimentos físicos

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