Ondas: Propagación, Tipos y Ecuaciones Fundamentales

1. Movimiento Ondulatorio y Tipos de Onda

Se llama movimiento ondulatorio a la propagación de un movimiento vibratorio a través de un medio, que provoca una transmisión de energía, sin transporte neto de materia, mediante la propagación de alguna forma de perturbación. Esta perturbación se denomina onda.

Atendiendo al medio en el que se propagan las ondas, éstas se clasifican en:

• Ondas electromagnéticas: no necesitan un medio material para propagarse y pueden, por tanto, propagarse en el vacío. Ejemplos: la luz, las ondas de radio, televisión y telefonía móvil, las microondas, los rayos ultravioleta, los rayos gamma...
• Ondas mecánicas: necesitan un medio material para propagarse. Ejemplos: el sonido, las olas, las vibraciones de una cuerda...

Las ondas también pueden clasificarse según la dirección de vibración:

• Ondas transversales: la vibración se produce en alguna dirección perpendicular a la dirección de propagación. Ejemplos: cuerda sacudida transversalmente, piedra en el estanque y ondas electromagnéticas. Se produce una variación de posición transversal respecto a la propagación y el tiempo: Y(x, t).
• Ondas longitudinales: la vibración se produce en la dirección de propagación. Ejemplo: ondas sonoras. Se produce una variación de alguna otra magnitud (como por ejemplo la presión del medio en las ondas de sonido) respecto a la propagación y al tiempo: Ejemplo P(x,y,t).

Las ondas también pueden ser unidimensionales cuando se propagan en una única dirección (ejemplo: cuerda), bidimensionales cuando se propagan en una superficie plana (ejemplo: piedra en el estanque) y tridimensionales cuando se propagan en las tres direcciones del espacio (ejemplos: sonido, electromagnéticas).

2. Ecuación de las Ondas Armónicas Unidimensionales y Definición de sus Magnitudes

Se llaman ondas armónicas a las que tienen su origen en las perturbaciones periódicas producidas en un medio elástico por un movimiento armónico simple. La ecuación de este tipo de ondas es:

De manera que estas ondas quedan definidas por las siguientes magnitudes:

• Elongación (y): distancia de cada partícula vibrante a su posición de equilibrio.
• Amplitud (A): Distancia máxima de una partícula a su posición de equilibrio o elongación máxima.
• Ciclo u oscilación: Recorrido que realiza cada partícula desde que inicia una vibración hasta que vuelve a la posición inicial.
• Longitud de onda (λ): distancia mínima entre dos partículas que vibran en fase, es decir, que tienen la misma elongación en todo momento.
• Número de onda (k): número de longitudes de onda que hay en 2π unidades de longitud.
• Velocidad de propagación (v): velocidad con la que se propaga la onda. Espacio recorrido por la onda en la unidad de tiempo.
• Periodo (T): tiempo en el que una partícula realiza una vibración completa o tiempo que tarda una onda en recorrer el espacio que hay entre dos partículas que vibran en fase.
• Frecuencia (f): número de oscilaciones de las partículas vibrantes por segundo o número de oscilaciones que se producen en el tiempo en el que la onda avanza una distancia igual a λ.

Tal y como se puede deducir de la ecuación, el movimiento de una onda es doblemente periódico. Para un instante t, se podrá obtener una máxima elongación (amplitud) para diferentes puntos x, que se encuentran separados en el sentido de la propagación por distancias que se repiten periódicamente, y para un punto x, se podrán obtener igualmente una máxima elongación (amplitud), para intervalos temporales que se repiten periódicamente también.