Propiedades de las ondas

Imagina que estoy parado aquí  sosteniendo el extremo de una cuerda.  Me encuentro en el extremo izquierdo, y  mientras sostengo la cuerda, muevo rápidamente   mi mano hacia arriba, hacia abajo y de regreso a la posición inicial. Si pudiéramos tomar una instantánea de la cuerda  inmediatamente después de terminar mi movimiento,  veríamos algo como esto: la cuerda  tiene una perturbación ondulante   que refleja el movimiento que hice con mi mano,  hacia arriba, hacia abajo y de regreso al centro. Y el resto de la cuerda continúa plana. Es posible que hayas visto algo  parecido si alguna vez jugaste   con una cuerda para saltar y  la moviste de un lado a otro,  o si has visto oscilar un juguete slinky  en diferentes direcciones en el suelo,   incluso si has estado en el gimnasio y has visto a alguien haciendo ejercicios   con grandes cuerdas, moviéndolas hacia  arriba y hacia abajo repetidamente. Sabemos también que, con el  tiempo, esta perturbación  se abrirá paso a través de la cuerda. Si esto es lo que observamos inmediatamente   después del movimiento de mi mano, en  algún momento posterior en el tiempo,   veremos que el comienzo de la cuerda  ha vuelto a su forma original y la   perturbación ondulada se ha abierto camino más  allá en la cuerda, y seguirá viajando en esa   dirección hasta que llegue al final de la cuerda. Esto es exactamente lo que es una onda en física. Una onda es una perturbación, en este caso, la  ondulación en la cuerda causada por el movimiento   de mi mano. Y esa perturbación puede propagarse,  viajar o moverse en una dirección particular. Por lo tanto, una onda es una  perturbación que puede propagarse.  Este ejemplo en particular se llama onda mecánica. La razón por la que se denomina onda mecánica es   porque la perturbación viaja a través de  un medio, como la cuerda para este modelo. Entonces, las ondas mecánicas  viajan a través de un medio.  Un punto importante sobre las ondas que  vale la pena señalar en este momento   es que las ondas transfieren  energía sin transferir materia. Lo que eso significa es que la perturbación  que se está moviendo aquí, esta forma ondulada,   se está moviendo a través de la cuerda, pero no  está moviendo la cuerda a una posición diferente.   Cualquier parte de la cuerda puede subir y bajar a  medida que la onda viaja a través de esa sección,  pero la cuerda en sí no va a ninguna  parte, lo que ocurre más bien es que   la energía cinética conferida a la  cuerda por mi mano se transfiere de   partícula a partícula en la cuerda y se abre camino a través de ella. En conclusión, las ondas transfieren  energía, pero no materia.  En el primer ejemplo, solo moví mi mano  hacia arriba y hacia abajo una vez,   lo que creó un pulso único de onda  que se movió a través de la cuerda. Por otro lado, si tuviera que seguir moviendo mi  mano hacia arriba y hacia abajo constantemente,   vería una forma de onda que se parece a esto.  Y cuando modelamos una onda, hay algunas  características clave que debemos conocer. Primero, definiremos qué es el período: T . El período se mide en segundos y nos indica   cuánto tarda en completarse un ciclo de la onda.  Después, tenemos a la longitud de onda: medida  en unidades de longitud como los metros,   la longitud de onda es la distancia entre  puntos idénticos de ondas adyacentes.   Y finalmente, está la frecuencia: Si el conjunto de ondas que hemos   dibujado tarda en completarse un segundo,  hay cuatro ciclos en ese segundo;  eso significa que se tiene una frecuencia de  cuatro Hz (Hertz) o cuatro ciclos por segundo. Por lo tanto, la frecuencia  medida en ciclos por segundo  nos dice cuántos ciclos de  onda hay en cada segundo. Ahora, utilizando solamente las  propiedades básicas de una onda,   podemos comenzar a identificar características   físicas más interesantes, como la  velocidad, o distancia sobre tiempo. Si queremos saber qué tan rápido viaja una  onda, podemos tomar la longitud de onda,   que es la distancia recorrida por un solo  ciclo, y multiplicarla por la frecuencia,   que es cuántos ciclos se completan en un  segundo, una cantidad de tiempo establecida. Los ciclos en la ecuación se  cancelan y nos quedamos con   unidades de distancia sobre tiempo,  que son las unidades de la velocidad.  Por lo tanto, esta es la ecuación  para calcular la velocidad de onda:   longitud de onda por frecuencia. Las unidades  estándar de velocidad son metros por segundo. Hay un par de factores que pueden  afectar la velocidad de una onda.  El primer factor es el tipo de onda. Los diferentes tipos de ondas se mueven   a diferentes velocidades también. Un ejemplo identificable de   diferentes tipos de ondas que se mueven a  diferentes velocidades son los relámpagos.  ¿Alguna vez ha visto caer un relámpago  o has estado en una tormenta eléctrica?  Sabes que lo primero que se  ve es el destello del rayo,   y luego se escucha el trueno  asociado con ese rayo.  Entonces, el relámpago viene primero  y el trueno viene en segundo lugar.  Eso es porque son dos ondas diferentes  que son parte del mismo fenómeno.  Cuando cae un relámpago, primero  ves el destello debido a que es una   onda electromagnética, es decir, luz. Esta onda electromagnética viaja mucho   más rápido que el sonido asociado con el rayo. Las ondas electromagnéticas son especiales no   solo porque viajan muy rápido, sino porque  tampoco necesitan un medio para viajar.  El trueno, por otro lado, es una onda de  sonido que viaja más lento que la luz.  Entonces verás el rayo antes  de escuchar el trueno, ya que,  los diferentes tipos de ondas se  mueven a diferentes velocidades. El segundo factor clave que puede  afectar la velocidad de una onda es   el medio a través del cual viaja, y aquí  consideraremos al sonido como un ejemplo. Cuando alguien está hablando, por  ejemplo, tenemos a la persona que   crea algunas vibraciones de las partículas  frente a su boca, esa es la onda de sonido. La onda de sonido es la vibración de esas  partículas que se propagan a través del aire.  Cuando hablas, tus cuerdas vocales ejercen fuerza  sobre las partículas que están justo frente a ti.  Las cuerdas vocales vibran hacia  adelante y hacia atrás, creando   una compresión que se transfiere  a las partículas circundantes.  A medida que las vibraciones continúan  propagándose, el sonido viaja. Puedes imaginar que, si estas  partículas están más juntas,  esas vibraciones se transferirán mucho  más rápido porque las partículas chocan   mucho más rápido que si estuvieran más separadas. Por lo anterior, el sonido viaja mucho más rápido   en el agua, que es un líquido, que en el aire. Las partículas en el líquido están más juntas,   es decir, como están más compactas, chocan más  y la propagación de la onda ocurre más rápido. Entonces, diferentes ondas se  mueven a diferentes velocidades,   y el medio a través del cual viaja una onda puede también afectar su velocidad. Intentemos resumir toda esta información. Una onda es una perturbación que puede   propagarse y tiene algunas características clave. Está el período, el cual representa cuánto   tarda un ciclo de onda en completarse, Tenemos también la longitud de onda,   que es la distancia entre puntos idénticos en  dos ondas que están una al lado de la otra,   y la frecuencia, que es la cantidad de ciclos  de onda que se completan en un segundo. En este caso, tenemos dos ciclos en un segundo, es decir, una frecuencia de 2 Hz.  La velocidad de la onda se calcula multiplicando  la longitud de onda por la frecuencia.  Esa velocidad se ve afectada por el tipo  de onda y el medio a través del cual viaja.  Las ondas mecánicas viajan a través de un  medio, como el sonido, un juguete slinky,   una cuerda, o las olas del océano. Mientras que las ondas electromagnéticas   como la luz son especiales porque pueden  viajar a través del vacío. Es decir,  no necesitan un medio para propagarse. Sin embargo todas las ondas,   no importa el tipo, transfieren  únicamente energía, no materia.