La luz y el sonido

Una onda es una perturbación que se propaga a través del espacio o de un medio material, transportando energía pero sin transportar materia. Imagina que lanzas una piedra a un estanque: el agua sube y baja (perturbación), pero el agua en sí no se desplaza con la onda hacia la orilla, solo la energía lo hace.

Existen dos formas principales de clasificar las ondas:

1. Según el medio de propagación:

   • Ondas mecánicas: Necesitan un medio material (sólido, líquido o gas) para viajar. Por ejemplo, el sonido o las ondas en una cuerda. En el vacío, las ondas mecánicas no pueden propagarse.
   • Ondas electromagnéticas: No necesitan un medio material; pueden viajar por el vacío. Ejemplos son la luz, las ondas de radio o los rayos X.

2. Según la dirección de vibración:

   • Ondas transversales: La vibración es perpendicular a la dirección de propagación (como una cuerda que sube y baja mientras la onda avanza hacia adelante).
   • Ondas longitudinales: La vibración es en la misma dirección que la propagación (como un muelle que se comprime y estira). El sonido es una onda longitudinal.

Para describir una onda matemáticamente, utilizamos varias magnitudes fundamentales:

• Longitud de onda ($\lambda$): Es la distancia mínima entre dos puntos que se encuentran en el mismo estado de vibración (por ejemplo, entre dos crestas consecutivas). Se mide en metros (m).
• Amplitud ($A$): Es la distancia máxima que alcanza la partícula vibrante respecto a su posición de equilibrio. Se relaciona con la energía de la onda.
• Periodo ($T$): El tiempo que tarda la onda en completar un ciclo completo. Se mide en segundos (s).
• Frecuencia ($f$ o $\nu$): El número de vibraciones o ciclos que ocurren en un segundo. Su unidad es el Hercio (Hz). La relación con el periodo es: $f = \frac{1}{T}$
• Velocidad de propagación ($v$): Es la rapidez con la que se desplaza la perturbación. Se calcula como: $v = \lambda \cdot f$

El aspecto más importante de una onda es que permite el transporte de energía a larga distancia. Sin embargo, a medida que la onda se aleja del foco emisor, su intensidad suele disminuir; esto se conoce como atenuación.

Los frentes de onda son las superficies que unen todos los puntos que están en el mismo estado de vibración en un momento dado. Si tiras una piedra al agua, los círculos que ves son los frentes de onda. Una onda transporta energía, pero nunca desplaza los átomos del medio de forma permanente.

El sonido se produce siempre que hay un cuerpo en vibración. Esta vibración se transmite a las partículas del aire circundante, creando zonas de compresión (partículas juntas) y rarefacción (partículas separadas).

Como es una onda mecánica, el sonido requiere obligatoriamente un medio material. En el espacio exterior, donde hay vacío, reina el silencio absoluto. La velocidad del sonido depende de la densidad y elasticidad del medio:

• En sólidos: Es muy rápido (aprox. 5000 m/s en acero).
• En líquidos: Velocidad intermedia (aprox. 1500 m/s en agua).
• En gases (aire): Es más lento (aprox. 340 m/s a 20°C).

No todos los sonidos son iguales. Los distinguimos gracias a tres cualidades:

1. Tono: Depende de la frecuencia. Los sonidos agudos tienen frecuencias altas, mientras que los sonidos graves tienen frecuencias bajas. El oído humano detecta entre 20 Hz y 20.000 Hz.
2. Intensidad: Relacionada con la amplitud de la onda. Nos permite distinguir entre sonidos fuertes y débiles. Se mide en decibelios (dB).
3. Timbre: Es la cualidad que nos permite distinguir dos sonidos de igual tono e intensidad emitidos por fuentes diferentes (por ejemplo, una nota "Do" en un piano vs. un violín). Depende de la forma de la onda y los armónicos.

Cuando el sonido encuentra obstáculos, ocurren fenómenos interesantes:

• Reflexión: La onda choca y vuelve. Si el obstáculo está a más de 17 metros, oímos el eco (distinción clara del sonido original). Si está a menos distancia, ocurre la reverberación (una prolongación molesta del sonido).
• Absorción: Algunos materiales (corcho, lana de roca) absorben la energía sonora evitando que se refleje.
• Contaminación acústica: El exceso de ruido en nuestro entorno puede causar estrés, pérdida de audición y problemas de sueño. El umbral del dolor para el oído humano se sitúa en torno a los 120 dB.

La luz es una onda electromagnética consistente en campos eléctricos y magnéticos oscilantes. A diferencia del sonido, la luz no necesita soporte material y puede viajar por el vacío.

En el vacío, la luz alcanza su velocidad máxima, una constante universal simbolizada por $c$: $c \approx 300.000.000 \text{ m/s} (3 \cdot 10^8 \text{ m/s})$

En un medio homogéneo, la luz siempre viaja en línea recta. Este principio explica:

1. Sombras y penumbras: Cuando un objeto opaco bloquea la luz. Si la fuente es puntual, genera sombra; si es extensa, genera sombra y una zona de transición llamada penumbra.
2. Cámara oscura: Si hacemos un pequeño agujero en una caja cerrada, la luz proyecta en la pared opuesta una imagen invertida del exterior, demostrando que los rayos viajan rectos.

La luz blanca del Sol es en realidad una mezcla de muchos colores. El espectro visible es solo una pequeña parte de todas las ondas electromagnéticas existentes.

• Dispersión: Al pasar luz blanca por un prisma, se descompone en colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta) porque cada color tiene una frecuencia distinta.
• Radiación invisible: Por debajo del rojo está el infrarrojo (calor) y por encima del violeta está el ultravioleta (capaz de quemar la piel).

Es el cambio de dirección que experimenta la luz al chocar con una superficie. Se rige por dos leyes: el rayo incidente, la normal y el reflejado están en el mismo plano, y el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión ($\hat{i} = \hat{r}$).

• Reflexión especular: Ocurre en superficies lisas (espejos). Los rayos salen paralelos y vemos una imagen nítida.
• Reflexión difusa: Ocurre en superficies rugosas. La luz se dispersa en todas direcciones, permitiéndonos ver los objetos desde cualquier ángulo.

Es el cambio de dirección y velocidad que sufre la luz al pasar de un medio transparente a otro (por ejemplo, del aire al agua). Cada medio tiene un índice de refracción ($n$), que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en ese medio: $n = \frac{c}{v}$ Cuanto mayor es el índice de refracción, más lento viaja la luz en ese medio.

• Reflexión total interna: Ocurre cuando la luz intenta pasar de un medio más denso a uno menos denso con un ángulo muy grande y no logra salir, reflejándose totalmente hacia adentro. Es el principio de la fibra óptica.
• Arcoíris: Se produce por la combinación de refracción y reflexión de la luz solar en las gotas de lluvia.

Las lentes son objetos transparentes (vidrio o plástico) que refractan la luz para formar imágenes.

• Convergentes: Son más gruesas en el centro. Hacen que los rayos paralelos se junten en un punto llamado foco ($F$). Se usan para la hipermetropía.
• Divergentes: Son más delgadas en el centro. Separan los rayos de luz. Se usan para corregir la miopía.

Nuestro ojo funciona como una cámara fotográfica sofisticada:

1. La luz entra por la córnea y la pupila.
2. El cristalino actúa como una lente convergente que puede cambiar su forma (acomodación) para enfocar objetos a distintas distancias.
3. La imagen (invertida y real) se proyecta en la retina, que envía la señal al cerebro por el nervio óptico.

El cristalino pierde elasticidad con la edad, provocando la vista cansada o presbicia.