Fundamentos del Movimiento Ondulatorio: Tipos, Propagación y Fenómenos

¿Qué es el Movimiento Ondulatorio?

El movimiento ondulatorio es una forma de transmisión de energía, sin transporte neto de materia, mediante la propagación de alguna forma de perturbación. Esta perturbación se denomina onda.

Tipos Fundamentales de Ondas

En el movimiento ondulatorio podemos identificar elementos comunes: una perturbación inicial, una transmisión de energía y cierto retraso temporal en la propagación.

Las ondas se clasifican principalmente en:

• Ondas mecánicas: Requieren un medio material elástico para propagarse, a través del cual se transmite la energía mecánica de la onda.
• Ondas electromagnéticas: Transmiten su energía mediante la propagación de campos eléctricos y magnéticos oscilatorios. No requieren un medio físico para su propagación (pueden viajar por el vacío).

Clasificación de Ondas Mecánicas

Las ondas mecánicas se pueden clasificar según la dirección de propagación de la onda en relación con el movimiento de las partículas del medio:

Ondas Transversales

En ellas se forma una cresta (o valle), a menudo llamada pulso de onda, que se transmite como una onda viajera, desplazando los distintos puntos del medio hacia arriba y hacia abajo. Una onda es transversal si su dirección de propagación es perpendicular a la dirección de la oscilación que provoca en las partículas del medio perturbado.

Ondas Longitudinales

Una onda es longitudinal si su dirección de propagación es paralela a la dirección de la oscilación que provoca en las partículas del medio perturbado.

Velocidad de Propagación

La velocidad de propagación (v) de una onda es la distancia que recorre la perturbación dividida por el tiempo que emplea en ello.

Esta velocidad depende de las propiedades del medio:

• Para ondas transversales (en una cuerda, por ejemplo), depende de la tensión (T) y de la densidad lineal de masa (μ).
• Para ondas longitudinales (en un resorte o medio elástico), depende de propiedades como la constante elástica o el módulo de Young del medio.

Ondas Armónicas

Las ondas armónicas son aquellas que tienen su origen en perturbaciones periódicas producidas en un medio elástico por un movimiento armónico simple (M.A.S.).

Características de las Ondas Armónicas

Tanto las ondas armónicas transversales como las longitudinales comparten las siguientes características:

• Amplitud (A): Es el valor máximo de la elongación (desplazamiento máximo desde la posición de equilibrio).
• Longitud de onda (λ): Es la distancia mínima entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración.
• Período (T): Es el tiempo que emplea el movimiento ondulatorio en avanzar una longitud de onda. También es el tiempo que tarda un punto del medio en completar una oscilación.
• Frecuencia (f): Es el número de ondas (o ciclos completos de oscilación) que pasan por un punto del medio por unidad de tiempo. Se relaciona con el período mediante f = 1/T.

Función de Onda

La función de onda describe matemáticamente el estado de vibración (elongación) de cualquier punto del medio en cualquier instante de tiempo.

Principio de Huygens

Christiaan Huygens enunció una propiedad fundamental de los frentes de onda que permite predecir su evolución temporal:

Todo punto de un frente de onda se convierte en un centro puntual productor de ondas elementales secundarias, de igual velocidad y frecuencia que la onda inicial. La superficie envolvente de estas ondas secundarias constituye el nuevo frente de onda en un instante posterior.

Fenómenos Ondulatorios

Difracción

La difracción es la desviación en la propagación rectilínea de las ondas cuando estas atraviesan una abertura o pasan próximas a un obstáculo de tamaño comparable a su longitud de onda.

Reflexión y Refracción

Reflexión

Es el fenómeno que ocurre cuando una onda, al llegar a la superficie de separación de dos medios, es devuelta al primer medio junto con una parte de la energía del movimiento ondulatorio, cambiando su dirección de propagación.

Refracción

Es el fenómeno por el cual, al llegar una onda a la superficie de separación de dos medios, penetra y se transmite en el segundo medio junto con una parte de la energía del movimiento ondulatorio, cambiando también su dirección de propagación (debido, generalmente, a un cambio en la velocidad de propagación).

Polarización

La polarización es un fenómeno exclusivo de las ondas transversales que describe la orientación de la oscilación en el plano perpendicular a la dirección de propagación.

• Polarización Lineal (o rectilínea): La vibración tiene lugar siempre siguiendo una recta fija en el plano perpendicular a la dirección de propagación.
• Polarización Circular o Elíptica: La vibración de un punto describe círculos o elipses a lo largo del tiempo, situados en planos perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Interferencia y Superposición

Principio de Superposición de Ondas

Cuando un punto de un medio es alcanzado simultáneamente por dos o más ondas que se propagan por él, experimenta una vibración (elongación) que es la suma vectorial de las vibraciones que experimentaría si fuera alcanzado por cada una de las ondas por separado.

Pulsaciones o Batidos

Se denominan pulsaciones o batidos a las variaciones periódicas de la amplitud de la onda resultante, producidas por la interferencia (superposición) de dos ondas de frecuencias ligeramente diferentes.

Ondas Estacionarias

Una onda estacionaria es la onda producida por la interferencia (superposición) de dos ondas armónicas de igual amplitud y frecuencia que se propagan en la misma dirección pero en sentidos contrarios.