Ondas Mecánicas: Concepto, Tipos, Principio de Huygens, Reflexión y Refracción
Concepto y tipos de ondas
Consideremos un medio material elástico, lo que quiere decir que existen interacciones (fuerzas internas intermoleculares) entre las distintas partes del medio en estado de equilibrio. Esto significa que las partículas constituyentes del medio se encuentran en reposo relativo, no porque las fuerzas internas sean nulas, sino porque están compensadas unas con otras.
Si partiendo de esta situación separamos una de las partículas de su posición mediante una acción externa, aparecerá una fuerza de tipo elástico recuperadora. Por efecto en cadena, todas las partículas oscilan, y podemos hablar de propagación de movimiento oscilatorio: una onda.
Ejemplos de movimientos ondulatorios
- Ondas superficiales en el agua.
- Sonidos en el aire.
- Si en un muelle fijo por los dos extremos desplazamos un trozo en la misma dirección y sentido y lo soltamos.
- Si en una cuerda tensa hacemos vibrar un extremo.
Podemos decir que un movimiento ondulatorio se produce cuando en un punto, al que llamamos foco, se produce una perturbación que arrastra a las partículas propagándose por el medio con el tiempo.
Debemos diferenciar dos procesos distintos:
- La variación de la propiedad física alterada en cada punto.
- La propagación de dicha perturbación en el medio.
Si en un punto producimos una perturbación se genera un pulso: reposo → pulso → reposo. Para mantener el movimiento hay que suministrar energía continuamente.
Clasificación de las ondas
- Según la energía: mecánicas o electromagnéticas.
- Según el número de dimensiones: unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales.
- Según la relación entre las direcciones de vibración de las partículas y la dirección de propagación de la onda:
- Transversales: perpendiculares a la dirección de propagación.
- Longitudinales: en la misma dirección de propagación.
El lugar geométrico de todos los puntos del medio que son alcanzados simultáneamente por una perturbación recibe el nombre de frente de ondas. Pueden ser superficies esféricas, circunferencias, planos o puntos.
Principio de Huygens y leyes
Principio de Huygens
Cuando un movimiento ondulatorio se propaga en un medio, cada uno de los puntos del mismo se comporta de manera similar al foco, aunque en general con menor amplitud, ya que la energía se va distribuyendo entre los diferentes puntos y puede haber absorción. Por lo tanto, cada punto alcanzado por la onda puede, a su vez, ser foco de un movimiento ondulatorio.
Huygens ignoró que las ondas puedan propagarse en todas las direcciones, en la del movimiento y en contra. Agustín Jean Fresnel resolvió esta cuestión al demostrar que las ondas en retroceso tienen energía nula y, por tanto, no existen.
Reflexión
Decimos que un movimiento ondulatorio se refleja en una superficie cuando llega a ella y retrocede por el mismo medio. En la reflexión no hay variación de la velocidad de propagación; las ondas reflejadas tienen las mismas características (ejemplo: el eco).
Si la reflexión tiene lugar sobre un medio más denso, se produce un cambio de fase.
Leyes de la reflexión
- El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
- El ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.
Refracción
La refracción es el fenómeno en el que, al llegar un movimiento ondulatorio a la superficie de separación de dos medios, la atraviesa cambiando su dirección de propagación. La onda refractada se transmite en el segundo medio con parte de la energía de la onda incidente.
Leyes de la refracción
- El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
- sen(i) / sen(r) = v₁ / v₂ = n₂₁ = n₂ / n₁, donde n₁ y n₂ son constantes características de cada medio, que reciben el nombre de índice de refracción del medio considerado.