Física de Ondas y Óptica: Conceptos Esenciales de Propagación y Fenómenos Lumínicos

Fundamentos del Movimiento Ondulatorio

Movimiento Armónico Simple (M.A.S.)

Movimiento vibratorio de naturaleza periódica, producido por una fuerza recuperadora proporcional al desplazamiento.

Onda

Movimiento ondulatorio o propagación de una perturbación a través del espacio.

Movimiento Ondulatorio

Fenómeno en el que no hay transporte de materia, pero sí de energía.

Clasificación de las Ondas

Según su Propagación

• Ondas Viajeras: Son aquellas cuya perturbación alcanza, al cabo de cierto tiempo, a todos los puntos del medio (ejemplo: el sonido de una campana).
• Ondas Estacionarias: La perturbación está delimitada, mediante fronteras, a una región específica del medio (ejemplo: las cuerdas de una guitarra).

Según el Medio de Propagación

• Ondas Mecánicas (Materiales): Transportan energía y precisan de un medio material para propagarse (ejemplo: el sonido en el aire).
• Ondas Electromagnéticas: Transportan energía electromagnética y no necesitan un medio material para propagarse (ejemplo: la luz).

Según la Dirección de Vibración

• Ondas Longitudinales: La dirección de vibración coincide con la dirección de propagación. Viajan en cualquier medio (ejemplo: el sonido).
• Ondas Transversales: La dirección de propagación es perpendicular a la vibración de las partículas. Viajan en sólidos y en la superficie de líquidos (ejemplo: una cuerda tensada).

Propagación y Energía Asociada a la Onda

• Pulso de Onda: Al tensar una cuerda y perturbarla, se produce un pulso. Las partículas se mueven hasta que el pulso llega.
• Tren de Onda: Al mover la cuerda continuamente, se genera un tren de ondas, manteniendo las partículas en movimiento.
• Onda Armónica: Propagación en un medio de una perturbación generada por un Movimiento Armónico Simple.

Energía Asociada a la Onda

1. Una onda armónica transmite la energía del oscilador armónico.
2. Esta energía se irradia en todas direcciones en forma de onda esférica a una velocidad $v$.
3. La energía irradiada se reparte sobre superficies esféricas concéntricas, cuyo centro es el foco emisor.
4. Al avanzar la onda, la cantidad de partículas en vibración aumenta, por lo que la energía se reparte entre más partículas. Esto provoca que la energía que le toca a cada partícula sea menor y, por ende, la amplitud disminuye.
5. Si hay pérdida por rozamiento, la energía de la onda se amortigua y desaparece.

Fenómenos Ondulatorios Fundamentales

Principio de Huygens

1. Se denomina Frente de Onda a la superficie formada por puntos que son alcanzados por la onda al mismo tiempo.
2. Todos los puntos del frente de onda tienen la misma fase.
3. Las líneas perpendiculares al frente de onda en cada punto se llaman Rayos.
4. Cada punto del frente de onda se comporta como un foco emisor de ondas secundarias.

Reflexión de la Onda

Cambio de dirección dentro del mismo medio que experimentan las ondas al incidir sobre una superficie de separación entre dos medios.

Leyes de la Reflexión

1. La dirección de propagación de la onda incidente, de la onda reflejada y la recta normal a la superficie de separación de ambos medios están en un mismo plano.
2. El ángulo incidente es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de la Onda

Cambio de dirección de propagación al pasar la onda de un medio a otro diferente.

Leyes de la Refracción

1. Las direcciones de propagación de la onda incidente, de la onda refractada y la recta normal a la superficie de separación de ambos medios están en el mismo plano.
2. La relación existente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es la misma que existe entre las velocidades de propagación de la onda en los dos medios (Ley de Snell).

Interferencias

Fenómeno producido por el encuentro de dos o más movimientos ondulatorios que, partiendo del mismo foco o de focos distintos, llegan simultáneamente a un mismo punto de propagación.

• Ondas Coherentes: Aquellas que tienen las mismas características (frecuencia y fase constante).
• Interferencia Constructiva: La perturbación resultante supone un refuerzo de las ondas originales.
• Interferencia Destructiva: La perturbación resultante es menor que las ondas originales.

Difracción de Ondas

Fenómeno que ocurre cuando una onda encuentra un obstáculo cuya dimensión es del mismo orden de magnitud que su longitud de onda, permitiendo que la onda lo rodee.

Amortiguación de la Onda

Disminución de la amplitud de la onda (ejemplo: el sonido).

El Sonido

Vibración que percibimos a través del oído.

Cualidades del Sonido

• Sonoridad (Intensidad)
• Tono (Frecuencia)
• Timbre (Forma de la onda)

Conceptos Clave de Óptica y Luz

Reflexión de la Luz

1. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.
2. El ángulo incidente es igual al ángulo de reflexión.

Refracción de la Luz

1. El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
2. La relación entre el seno del ángulo incidente y el seno del ángulo de refracción es característica de los dos medios (Índice de Refracción Relativo).

Ángulo Límite

Ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90º.

Sistemas Ópticos

• Dioptrio: Conjunto formado por dos medios transparentes con índices de refracción distintos, separados por una superficie.
• Espejo Esférico: Aquel cuya superficie constituye un casquete esférico.
  • Espejo Cóncavo: La superficie reflectora es la interior.
  • Espejo Convexo: La superficie reflectora es la exterior.
• Lente Delgada: Sistema óptico formado por dos dioptrios, uno de ellos esférico.
  • Lente Convergente: Más gruesa en el centro que en los bordes (biconvexa, planoconvexa, meniscoconvergente).
  • Lente Divergente: Más gruesa en los bordes que en el centro (bicóncava, planocóncava, meniscodivergente).

Fenómenos de la Luz

• Dispersión de la Luz: Descomposición de un rayo de luz en sus componentes debido al diferente índice de refracción para cada longitud de onda.
• Difracción de la Luz: Fenómeno por el cual la onda sobrepasa un medio, llegando a alcanzar puntos detrás de obstáculos que, de otro modo, estarían ocultos al foco.