Fenómenos Ondulatorios: Propagación, Interferencia y Sonido en la Física

Ondas Sísmicas y sus Propiedades

Las ondas generadas por un terremoto son de dos tipos principales: las ondas P (primarias) y las ondas S (secundarias).

• Ondas P: Son ondas longitudinales que pueden atravesar tanto materiales fundidos como sólidos.
• Ondas S: Son ondas transversales y solo se propagan por materiales sólidos.

Las reflexiones y refracciones de estas ondas sísmicas proporcionan información crucial sobre el interior de la Tierra.

La longitud de una onda longitudinal se define como la distancia entre compresiones sucesivas o enrarecimientos sucesivos. Por ejemplo, en el aire, las moléculas vibran hacia adelante y hacia atrás respecto a una posición de equilibrio cuando las ondas pasan a través de ellas.

Interferencia de Ondas

A diferencia de los objetos materiales, que no pueden ocupar el mismo espacio simultáneamente, las vibraciones u ondas sí pueden coexistir en el mismo espacio y tiempo.

Si dejamos caer dos piedras en el agua, las ondas que produce cada una pueden superponerse y formar un patrón de interferencia. Los efectos ondulatorios resultantes pueden: aumentar, disminuir o anularse.

Cuando dos o más ondas ocupan el mismo espacio simultáneamente, los desplazamientos individuales en cada punto del espacio se suman. Este fenómeno se conoce como el Principio de Superposición.

• Interferencia Constructiva: Ocurre cuando la cresta de una onda se superpone con la cresta de otra onda (o un valle con otro valle). Sus efectos individuales se suman, produciendo una onda de mayor amplitud.
• Interferencia Destructiva: Ocurre cuando la cresta de una onda se superpone con el valle de otra onda. Sus efectos individuales se reducen o incluso se anulan, ya que la parte alta de una onda "llena" la parte baja de la otra.

Origen y Naturaleza del Sonido

La mayor parte de los sonidos son ondas producidas por las vibraciones de objetos materiales.

Ejemplos de fuentes de sonido:

• En un piano, un violín o una guitarra, el sonido se produce por las cuerdas vibrantes.
• En un saxofón, por una lengüeta vibratoria.
• En una flauta, por una columna vibrante de aire en la embocadura.
• La voz humana se debe a las vibraciones de las cuerdas vocales.

En cada uno de estos casos, la vibración original estimula la vibración de algo más grande o más masivo, lo que amplifica el sonido.

Frecuencia y Altura del Sonido

Describimos la frecuencia del sonido con el término altura.

La frecuencia se relaciona directamente con la altura: un sonido alto o agudo, como el de una flauta, posee una alta frecuencia de vibración, mientras que un sonido bajo o grave, como el de una sirena, tiene una baja frecuencia de vibración.

El oído humano de un joven puede captar alturas que corresponden a un intervalo de frecuencias de entre 20 y 20.000 Hz. A medida que maduramos, los límites de este intervalo de audición tienden a contraerse.

Tipos de Ondas Sonoras por Frecuencia

• Infrasónicas: Ondas sonoras cuyas frecuencias son menores de 20 Hz.
• Ultrasónicas: Ondas sonoras cuyas frecuencias son mayores de 20.000 Hz.

Ninguna de estas frecuencias es audible para el oído humano.

Naturaleza del Sonido en el Aire

Cuando aplaudimos, el sonido que se produce no es periódico. Está formado por un impulso o pulso ondulatorio que se propaga en todas direcciones.

Este impulso perturba el aire de la misma forma en que un impulso similar perturbaría un resorte Slinky. Cada partícula de aire se mueve a lo largo de la dirección de propagación de la onda.

Ejemplo de Propagación de Ondas de Sonido

Consideremos el siguiente ejemplo: En un salón largo, en un extremo hay una ventana abierta con una cortina que la cubre. En el otro extremo hay una puerta.

Propagación de una Compresión:

Al abrir la puerta, esta empuja las moléculas de aire adyacentes, desplazándolas de sus posiciones iniciales hacia las posiciones de las moléculas vecinas. A su vez, estas moléculas vecinas empujan a las siguientes, y así sucesivamente, creando una compresión que se propaga por el aire, de manera análoga a cómo se propaga por un resorte. Este proceso continúa hasta que la cortina se agita y se mueve hacia afuera de la ventana. Un impulso de aire comprimido se ha propagado desde la puerta hasta la cortina. A este impulso de aire comprimido se le denomina compresión.

Propagación de un Enrarecimiento (Rarefacción):

Cuando cerramos la puerta, esta arrastra algunas moléculas de aire fuera del salón. Se produce una zona de baja presión detrás de la puerta. Las moléculas de aire vecinas se mueven hacia esta zona, dejando a su vez una región de baja presión detrás de ellas. Esta zona de baja presión de aire está enrarecida. Otras moléculas, más alejadas de la puerta, se mueven hacia estas regiones enrarecidas, y de nuevo la perturbación se propaga por la sala. Esto se observa en la cortina, que se agita hacia adentro. Esta perturbación se denomina enrarecimiento, también conocido como rarefacción.

En ambos casos, el impulso se propaga desde la puerta hasta la cortina. Esto se evidencia en el movimiento de la cortina, que reacciona después de que la puerta se abre o se cierra. Si se abre y cierra la puerta continuamente con un movimiento periódico, se puede establecer una onda de compresiones y enrarecimientos periódicos, lo que provocará que la cortina se mueva rítmicamente hacia afuera y hacia adentro de la ventana.