Qué es una onda: elementos, tipos y propagación

Qué es una onda: elementos, tipos y propagación

Una onda es una perturbación que se propaga: nace en un punto y avanza por el espacio que la rodea. El medio vibra a su paso, pero no viaja con ella.

Esa diferencia importa en el examen. Una ola sube y baja una boya y la deja cerca de donde estaba; lo que se desplazó fue la energía, no el agua.

Aquí se repasan los elementos de una onda, los tipos que existen y la manera en que se propaga. También se explica el eco y se resuelven dos ejercicios paso a paso.

El repaso sirve para las preguntas de reconocimiento y para las de cálculo. Las dos clases aparecen en la prueba de Física, y casi siempre se resuelven con la misma ecuación.

Conviene no confundir una onda con una oscilación. La oscilación es el vaivén de un cuerpo en un punto; la onda es ese vaivén repetido a lo largo de un medio, con un frente que avanza.

Conviene estudiar el tema en este orden: primero qué se mueve y qué no, después las magnitudes que se miden y al final los fenómenos que ocurren cuando la onda encuentra un obstáculo o un medio distinto.

Cómo se propaga una onda por el medio

El medio es la sustancia por la que viaja una onda mecánica. El aire, el agua, una cuerda tensa y el acero pueden cumplir esa función.

Cuando el medio se deforma, aparece una fuerza que tiende a devolverlo a su forma. Esa fuerza de restitución es la que permite que la perturbación siga avanzando.

Un medio elástico devuelve la deformación con facilidad, y por eso transmite mejor la perturbación. El aire es elástico y el agua también, aunque de otra manera.

La transmisión ocurre porque unas moléculas empujan a otras, como fichas de dominó que caen una tras otra. Cada molécula casi no se desplaza; el empujón sí pasa de una a la siguiente.

Por eso el sonido no se propaga por el vacío: no hay medio que transmita el empujón. La luz sí lo hace, y esa diferencia separa a las ondas mecánicas de las electromagnéticas.

Una onda mecánica necesita un medio material. Una onda electromagnética no lo necesita: avanzan también por el vacío, y por eso la luz de las estrellas llega a la Tierra.

Dentro de las mecánicas quedan el sonido, las olas y las ondas sísmicas. Dentro de las electromagnéticas quedan la luz visible, el infrarrojo, las microondas y los rayos X.

En una onda, el medio oscila alrededor de su posición de reposo y regresa a ella. La energía y la cantidad de movimiento avanzan; la masa del medio se queda donde estaba.

El movimiento del medio puede ser muy visible y aun así no implicar traslado. Un trozo de madera flotante sube y baja con las olas y no se aleja con ellas.

De ahí sale la primera idea que conviene fijar: la onda es el patrón que avanza, no la materia que lo dibuja.

La velocidad de las partículas del medio no es la rapidez de la onda. La primera cambia de sentido en cada oscilación; la segunda se mantiene constante mientras el medio no cambie.

Los elementos de una onda: cresta, valle y amplitud

Toda onda periódica se describe con unas pocas magnitudes. La cresta es el punto más alto de la onda y el valle, el más bajo.

La amplitud es la máxima separación del medio respecto de su posición de equilibrio. Se mide en unidades de longitud, como el metro o el centímetro, y no depende de la rapidez con que la onda avanza.

Una onda puede ser de gran amplitud y avanzar despacio, o de amplitud pequeña y avanzar rápido. Las dos cosas se eligen por separado.

La longitud de onda se mide entre dos puntos consecutivos que están en el mismo estado de la perturbación. Dos crestas, dos valles o dos puntos equivalentes sirven igual.

El periodo es el tiempo que tarda el medio en completar una oscilación. También es el tiempo que tarda una longitud de onda en pasar por un punto fijo.

La frecuencia es el número de ciclos que pasan por ese punto en cada segundo. Se mide en hertz, y un hertz equivale a un ciclo por segundo.

La tabla siguiente reúne los elementos que se preguntan con más frecuencia en la prueba.

Cada elemento tiene su unidad y su símbolo. La longitud de onda suele escribirse con la letra griega lambda, el periodo con una T y la frecuencia con una f.

La longitud de onda también es la distancia que avanza el frente durante un periodo. Si el periodo se duplica y la rapidez no cambia, la longitud de onda también se duplica.

La longitud de onda, el periodo, la frecuencia y la rapidez

Periodo y frecuencia son inversos: T = 1/f. Si el periodo es de 0,02 s, la frecuencia es de 50 Hz; si la frecuencia es de 250 Hz, el periodo es de 0,004 s.

La rapidez de una onda es la distancia que avanza su frente en la unidad de tiempo. Se calcula con v = λ/T y, como T = 1/f, también con v = λ·f.

Esa relación vale para todas las ondas periódicas. Lo que cambia de un caso a otro son los valores, no la fórmula.

Con la rapidez fija, la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales. Al duplicar la frecuencia, la longitud de onda se reduce a la mitad.

Un ejemplo breve: si en una cuerda la longitud de onda es de 1,5 m y la frecuencia es de 120 Hz, la rapidez es 1,5 × 120 = 180 m/s. El periodo correspondiente es 1/120 = 0,0083 s.

Antes de multiplicar conviene revisar las unidades. La longitud de onda debe estar en metros si la rapidez se busca en metros por segundo, y la frecuencia debe estar en hertz.

La rapidez la fija el medio; la frecuencia la fija la fuente que vibra. Esa separación de papeles resuelve muchas preguntas de la prueba.

La amplitud tampoco entra en el cálculo de la rapidez. Una onda alta y una onda baja pueden viajar a la misma velocidad por el mismo medio.

Con los mismos datos se puede recorrer el camino inverso. Si un sonido de 343 m/s tiene 0,25 m de longitud de onda, su frecuencia es 343/0,25 = 1 372 Hz y su periodo, 1/1 372 = 0,00073 s.

El tono de un sonido lo determina la frecuencia. A mayor frecuencia, el sonido resulta más agudo para quien lo escucha.

Cuando la frecuencia se expresa en kilohercios hay que convertirla antes de operar. Un kilohercio equivale a mil hertz, así que 2 kHz son 2 000 Hz.

En el Sistema Internacional, la longitud se mide en metros, el tiempo en segundos y la frecuencia en hertz. Trabajar con esas tres unidades evita la mayor parte de las conversiones.

Tipos de onda: transversales, longitudinales y electromagnéticas

En una onda transversal el medio vibra en dirección perpendicular a la dirección en que avanza la onda. Una cuerda que se agita de arriba abajo es el caso típico.

En una onda longitudinal el medio vibra en la misma dirección del avance. El sonido en el aire es el ejemplo clásico: el aire se comprime y se expande en el sentido en que viaja la onda.

Los fluidos casi no resisten el esfuerzo cortante, y por eso el sonido en ellos es longitudinal. En los sólidos puede haber componentes de los dos tipos.

Un sismo genera ondas de ambos tipos: las ondas P son compresionales y las ondas S son de corte. Viajan a rapideces distintas dentro del mismo terreno.

El sonido de 100 Hz que viaja a 343 m/s tiene 3,43 m de longitud de onda, mientras el de 1 000 Hz tiene 0,343 m. El sonido grave ocupa más espacio por ciclo que el agudo.

Una onda electromagnética consiste en campos eléctricos y magnéticos que oscilan y se sostienen mutuamente. Los dos campos son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de avance.

Cuando una onda cambia de medio, cambia su rapidez. La frecuencia se mantiene, porque la impone la fuente que vibra.

Si la frecuencia no cambia y la rapidez sí, la longitud de onda tiene que ajustarse. De v = λ·f se despeja λ = v/f.

En el aire a 0 °C el sonido viaja a 331 m/s, y a 20 °C llega a 343 m/s. En el agua dulce ronda los 1 480 m/s y en el agua de mar, unos 1 540 m/s.

Un mismo sonido de 500 Hz tiene 0,686 m de longitud de onda en aire a 20 °C y 3,08 m en agua de mar. Cambiaron la rapidez y la longitud de onda; la frecuencia siguió en 500 Hz.

Ese ajuste obligado explica por qué un frente de onda se inclina al entrar en otro medio. El fenómeno se llama refracción y aparece en la sección siguiente.

Reflexión, eco, refracción y difracción

La reflexión ocurre cuando una onda choca con una superficie y vuelve hacia el medio del que venía. Las superficies muy lisas reflejan casi toda la luz que reciben.

El eco es una reflexión de sonido que llega al oído con retraso suficiente para distinguirse del sonido original. El retraso es el tiempo que el sonido tarda en ir hasta el obstáculo y volver.

Los murciélagos aprovechan ese retraso para orientarse y para cazar. Emiten sonidos y escuchan el regreso de cada uno.

Para calcular una distancia con eco se usa la rapidez del sonido y se divide el tiempo entre dos. El sonido recorre dos veces la misma distancia: la de ida y la de vuelta.

En el agua el procedimiento es el mismo con otra rapidez. Un pulso que tarda 0,80 s en volver, viajando a 1 540 m/s, indica un obstáculo a 1 540 × 0,80/2 = 616 m.

El sonar y el ecógrafo aplican esa misma idea con pulsos cortos. Emiten un pulso, miden el tiempo de regreso y calculan la distancia con la rapidez del medio.

La refracción es el cambio de dirección que sufre una onda al pasar de un medio a otro. Se debe al cambio de rapidez, que inclina el frente de onda.

La difracción es el doblez y el esparcimiento de una onda alrededor de un obstáculo. Se nota mucho cuando el obstáculo tiene un tamaño parecido a la longitud de onda.

Por eso el sonido rodea una esquina con facilidad mientras la luz visible no lo hace en la misma escala. Las ondas de la voz humana miden entre centímetros y metros, y se comparan con el ancho de una puerta.

La difracción no requiere un medio nuevo ni una superficie que refleje. Basta un borde o una abertura en el camino de la onda.

Los tres fenómenos pueden ocurrir en la misma situación. Un sonido que sale de una habitación se refleja en las paredes, se difracta en la puerta y se refracta al pasar a un ambiente con aire más cálido.

El vocabulario del enunciado delata el fenómeno. La reflexión habla de una superficie, la difracción de un borde o una abertura y la refracción de dos medios.

Dos ejercicios resueltos de ondas

Los dos ejercicios siguientes usan las mismas relaciones, en dos situaciones distintas. En el primero se piden periodo y longitud de onda; en el segundo, una distancia a partir de un eco.

Conviene copiar los pasos y repetirlos con otros números. La prueba usa el mismo esquema con datos cambiados.

En los dos casos el orden de trabajo es el mismo: anotar datos con unidades, elegir la relación, sustituir y revisar el resultado con una estimación rápida.

Ese orden se puede repetir como una rutina de cuatro pasos en cualquier problema del tema.

• Subrayar los datos y anotar su símbolo.
• Identificar la magnitud que se pide.
• Elegir la relación que la conecta con los datos.
• Sustituir, calcular y comprobar el orden de magnitud.

Errores frecuentes al responder sobre ondas

Los errores de este tema se repiten y casi todos se evitan leyendo dos veces el enunciado. Las trampas de la lista siguiente son las que más puntos cuestan.

También se pierden puntos por no revisar el orden de magnitud. Una longitud de onda de 1,372 m para un sonido de 250 Hz es razonable; un valor de 1 372 m no lo es.

Otro descuido común es responder con la fórmula correcta y el despeje equivocado. Conviene escribir la relación, sustituir los datos y solo entonces calcular.

Algunas opciones de la prueba son valores de la misma magnitud con otra unidad. Revisar la unidad de la respuesta descarta esas opciones sin hacer la cuenta completa.

Las preguntas difíciles juntan dos condiciones, como un cambio de medio junto a una pregunta por la frecuencia. Al identificar qué magnitud se conserva, la respuesta queda casi sola.

Conclusión

Una onda es una perturbación que avanza y transporta energía sin llevarse el medio. Sus elementos se relacionan con una sola ecuación: v = λ·f.

El tipo de onda depende de cómo vibra el medio, y la rapidez depende del medio mientras la frecuencia depende de la fuente. El eco, la refracción y la difracción son consecuencias de esa misma propagación.

Dominar los elementos y las relaciones permite resolver tanto las preguntas conceptuales como las de cálculo. Con dos ejercicios bien hechos, el tema queda cubierto.