Las propiedades de las ondas se manifiestan a través de una serie de fenómenos que constituyen lo esencial del comportamiento ondulatorio. Así, las ondas rebotan ante una barrera, cambian de dirección cuando pasan de un medio a otro, suman sus efectos de una forma muy especial y pueden salvar obstáculos o bordear las esquinas.El estudio de los fenómenos ondulatorios supone la utilización de conceptos tales como periodo, frecuencia, longitud de onda y amplitud, y junto a ellos el de frente de onda, el cual es característico de las ondas bidimensionales y tridimensionales.
Se denomina frente de ondas al lugar geométrico de los puntos del medio que son alcanzados en un mismo instante por la perturbación.
Las ondas que se producen en la superficie de un lago, como consecuencia de una vibración producida en uno de sus puntos, poseen frentes de onda circulares. Cada uno de esos frentes se corresponden con un conjunto de puntos del medio que están en el mismo estado de vibración, es decir a igual altura. Debido a que las propiedades del medio, tales como densidad o elasticidad, son las mismas en todas las direcciones, la perturbación avanza desde el foco a igual velocidad a lo largo de cada una de ellas, lo que explica la forma circular y, por tanto, equidistante del foco, de esa línea que contiene a los puntos que se encuentran en el mismo estado de vibración. Fenomenos Ondulatorios
Quizá, uno de los movimientos ondulatorios más conocido, es el que se observa en una masa de agua (mar, lago, etc), producido por alguna perturbación, por ej.
cuando arrojamos una piedra en un estanque observamos la formación de ondas circulares que se mueven hacia afuera, o las olas que se forman a mar abierto por la perturbación del viento.
Las características de las ondas producidas dependen de la fuente perturbadora y del medio como en los casos anteriores.
Las ondas en el agua, se mueven con determinada velocidad, pero cada partícula
del agua tan solo oscila con respecto a un punto de equilibrio. Esto se observa con hojas o con algún corcho en el agua, que no son impulsadas hacia adelante por las ondas, sino que oscilan con respecto a un punto de equilibrio, que es el movimiento del agua misma. Es una característica general de las ondas: las ondas se pueden mover a grandes distancias, pero el medio (en nuestro caso el agua) solo tiene movimiento limitado. Una onda consiste de oscilaciones que se mueven sin arrastrar materia. Las ondas llevan energía de un lugar a otro, como por ejemplo la recibida por la piedra que cae en el agua.
Aunque las ondas de agua son muy didácticas y cualitativamente sencillas, los cálculos cuantitativos no lo son.
Para entender las ondas de agua, requerimos simplicidad, lo que significa despreciar ciertas propiedades, como la viscosidad, y restringirse a ondas suaves de pequeña amplitud.
Las oscilaciones de las partículas de agua, en estos tipos de ondas, no se restringe a la superficie, sino que se extienden con amplitud decreciente hasta el fondo.
Consideremos una gran porción de agua, infinitamente profunda, donde se hace una perturbación en la superficie y se generan ondas. Como es el movimiento de las partículas del medio?. Aunque en un lugar dado el agua sea alternadamente un valle y una cresta, no pueden estar moviéndose hacia arriba y hacia abajo, debido a la conservación del agua. Como el agua es incompresible, en esta escala, cuando una loma baja, el agua tiene que salir del lugar, y lo que ocurre es que las partículas de agua cercanas a la superficie, se mueven aproximadamente en circunferencias. Así, es una mezcla de movimiento transversal y longitudinal alrededor de una determinada posición de equilibrio. La fuerza restauradora que actúa sobre el elemento de agua, se debe en parte a la diferencia de presión, originada por las variaciones de profundidad entre los puntos, y también en parte por los efectos de la tensión superficial debidos a la curvatura de la superficie libre.
A profundidades mayores en el agua, la componente transversal va disminuyendo, hasta que razonablemente profundo el movimiento es sólo longitudinal, como se esquematiza en el dibujo siguiente.
Por lo tanto aparecen dos fuerzas restauradoras, que tienden a aplanar las crestas de la misma, que son la gravedad y la tensión superficial.
Cuando las longitudes de las ondas en el agua se acortan mucho, la principal fuerza restauradora es la atracción capilar, es decir la tensión superficial. Para longitudes de ondas largas, la fuerza gravitatoria es la principal, pero en general es una combinación de ellas la que domina el proceso.
A partir de la definición de la relación de dispersión:
ω2= fuerza restauradora por unidad de desplazamiento por unidad de masa
En el caso en que sólo influya la gravedad, podemos poner:
ωg
2=g k
y para el caso en que sólo influya la tensión superficial :
ωT
2=k3T/ρ. donde T es la tensión superficial y ρ es la densidad del medio.
Suponiendo estar en el caso de ondas gravitacionales, si la profundidad del agua en equilibrio, es pequeña con respecto a la longitud de onda (ondas armónicas), las ondas se denominan ondas de agua superficiales u ondas de marea. En estos casos, la velocidad de propagación de estas ondas, es independiente de la longitud de onda, pero depende de la profundidad, donde la relación de dispersión es de la siguiente forma :
ω2=gk(h/λ)2π
Si la longitud de onda es pequeña en comparación con la profundidad del agua en equilibrio, tenemos las llamadas ondas de agua profunda, y para ondas gravitacionales, la relación de dispersión no depende de la profundidad (ω2=gk),
pero la velocidad si depende de la longitud de onda.
Por lo tanto, las ondas gravitacionales de aguas superficiales, son no dispersivas ( no depende de λ). Las ondas gravitacionales de aguas profundas son dispersivas.
Reflexión
Sabemos, que una onda está caracterizada por un frente de onda, que son los puntos de propagación de la onda que poseen igual fase. Se denomina rayo, a un vector imaginario cuya dirección es perpendicular al frente de onda y su sentido es el de propagación del mismo.
Cuando un rayo se refleja en una superficie, se denominan: ángulo de incidencia, al formado por el rayo incidente y la normal; ángulo de reflexión, al formado por el rayo reflejado y la normal. Siendo la normal, la perpendicular a la superficie, esquematizado en la figura siguiente.
Refracción
Si una onda pasa de un medio a otro distinto, (por ej. distinta densidad), ésta cambia su velocidad y se produce una desviación de la dirección de propagación de la onda. Esto es lo que se denomina refracción
Difracción e Interferencia
Los fenómenos de difracción e interferencia con ondas de agua, son los mismos que los vistos en el experimento 5, donde se reemplaza las fuentes (parlantes) por rendijas, y el detector ( micrófono), será un pantalla donde se visualizará la
amplitud resultante en función de la posición.
Llenar la cuba con agua, de manera de obtener ondas no dispersivas, para visualizar correctamente los fenómenos ondulatorios
Monte el generador de vibraciones, y busque condiciones adecuadas de amplitud
y frecuencia.
