Ondas: luz y sonido

Una onda es una perturbación que se propaga a través del espacio o de un medio material. Lo más importante que debemos recordar es que las ondas transportan energía y cantidad de movimiento, pero no transportan materia. Cuando una ola pasa por una boya en el mar, la boya sube y baja, pero no se desplaza con la ola.

Podemos clasificar las ondas según dos criterios principales:

1. Según el medio de propagación:
   • Ondas mecánicas: Necesitan un medio material (sólido, líquido o gas) para viajar. Ejemplo: el sonido o las ondas en una cuerda.
   • Ondas electromagnéticas: No necesitan un medio material; pueden propagarse en el vacío. Ejemplo: la luz o las ondas de radio.
2. Según la dirección de vibración:
   • Ondas transversales: La vibración es perpendicular a la dirección de propagación (como una cuerda agitada).
   • Ondas longitudinales: La vibración es en la misma dirección que la propagación (como un muelle que se estira y comprime). El sonido es el ejemplo típico.

Para describir una onda matemáticamente, utilizamos varias magnitudes físicas:

• Amplitud ($A$): Es la distancia máxima entre el punto de equilibrio y la cresta de la onda. Se mide en metros (m).
• Longitud de onda ($\lambda$): Es la distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración (por ejemplo, entre dos crestas). Se mide en metros.
• 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 ciclos que ocurren en un segundo. Su unidad es el Hercio ($Hz$). La relación con el periodo es $f = \frac{1}{T}$.

La ecuación fundamental de las ondas relaciona la velocidad de propagación ($v$), la longitud de onda y la frecuencia: $v = \lambda \cdot f$ O también: $v = \frac{\lambda}{T}$

Cuando una onda encuentra un obstáculo o cambia de medio, experimenta ciertos fenómenos:

• Reflexión: La onda choca contra una superficie y rebota, volviendo al medio original.
• Refracción: La onda pasa de un medio a otro distinto, cambiando su velocidad y su dirección.
• Difracción: Ocurre cuando una onda encuentra un obstáculo o una rendija de tamaño comparable a su longitud de onda y logra "bordearlo" o dispersarse.
• Interferencia: Es la superposición de dos o más ondas en un mismo punto del espacio. Puede ser constructiva (se suman las amplitudes) o destructiva (se restan).

El sonido es una onda mecánica longitudinal. Se produce cuando un cuerpo vibra (como las cuerdas de una guitarra) y transmite esa vibración a las partículas del aire circundante, creando zonas de compresión y rarefacción.

Es fundamental entender que el sonido necesita un medio material para propagarse. En el vacío absoluto del espacio, no hay sonido porque no hay partículas que puedan vibrar. La velocidad del sonido depende del medio:

• En el aire (a 20°C): $\approx 340 \, m/s$.
• En el agua: $\approx 1500 \, m/s$.
• En el acero: $\approx 5000 \, m/s$.
• Regla general: El sonido viaja más rápido en sólidos que en líquidos, y más rápido en líquidos que en gases.

Diferenciamos los sonidos gracias a tres cualidades principales:

1. Tono: Depende de la frecuencia. Los sonidos agudos tienen frecuencias altas, mientras que los graves tienen frecuencias bajas. El oído humano percibe entre $20 \, Hz$ y $20.000 \, Hz$.
2. Intensidad: Se relaciona con la amplitud de la onda y la energía que transporta. Se mide en decibelios (dB).
3. Timbre: Es la cualidad que permite distinguir dos sonidos de igual tono e intensidad emitidos por fuentes distintas (por ejemplo, un piano y un violín). Depende de la forma de la onda (armónicos).

• Eco: Se produce cuando el sonido se refleja en una superficie situada a más de 17 metros, permitiendo al oído distinguir el sonido original del reflejado.
• Reverberación: Es una ligera prolongación del sonido debido a reflexiones sucesivas en distancias cortas.
• Efecto Doppler: Es el cambio aparente de frecuencia cuando la fuente sonora se mueve respecto al observador (ejemplo: el cambio de tono de una sirena de ambulancia al pasar).

La contaminación acústica es el exceso de ruido que altera las condiciones normales del ambiente. La OMS sitúa el límite de confort en los $55 \, dB$; niveles superiores de forma continuada pueden causar estrés, pérdida de audición y problemas de sueño.

La luz es una onda electromagnética transversal. A diferencia del sonido, no necesita medio para viajar. Presenta una dualidad onda-partícula: se comporta como una onda al propagarse y como una partícula (fotón) al interactuar con la materia.

En el vacío, la luz viaja a una velocidad constante universal, denotada como $c$: $c \approx 300.000 \, km/s = 3 \cdot 10^8 \, m/s$ En medios materiales, la luz siempre viaja más despacio que en el vacío. Además, la luz se propaga en línea recta, lo que explica la formación de sombras y penumbras.

El espectro es el conjunto de todas las radiaciones electromagnéticas ordenadas por su frecuencia o longitud de onda.

Isaac Newton demostró que la luz blanca es en realidad una mezcla de todos los colores. Cuando la luz blanca atraviesa un prisma, cada color se refracta con un ángulo ligeramente diferente porque el índice de refracción depende de la frecuencia. El color violeta es el que más se desvía y el rojo el que menos. Este fenómeno es el responsable de la formación del arcoíris cuando la luz del Sol atraviesa las gotas de lluvia.

La reflexión ocurre cuando la luz incide sobre una superficie y retrocede. Se rige por dos leyes:

1. El rayo incidente, la normal (línea perpendicular a la superficie) y el rayo reflejado están en el mismo plano.
2. El ángulo de incidencia ($\theta_i$) es igual al ángulo de reflexión ($\theta_r$): $\theta_i = \theta_r$

Diferenciamos entre reflexión especular (superficies pulidas como un espejo, donde los rayos salen paralelos) y reflexión difusa (superficies rugosas, donde la luz se dispersa en todas direcciones, permitiéndonos ver los objetos).

En un espejo plano, la imagen formada tiene las siguientes características:

• Es virtual (se forma por la prolongación de los rayos detrás del espejo).
• Es derecha (no está invertida verticalmente).
• Es simétrica respecto al objeto.
• Presenta inversión lateral (la derecha del objeto es la izquierda de la imagen).

Son superficies reflectantes curvas que forman parte de una esfera:

• Cóncavos (Convergentes): La superficie reflectante es la interior. Pueden aumentar el tamaño de los objetos (espejos de maquillaje).
• Convexos (Divergentes): La superficie reflectante es la exterior. Siempre forman imágenes virtuales, derechas y más pequeñas, pero ofrecen un mayor campo de visión (retrovisores de coches, espejos de vigilancia en tiendas).

La refracción es el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro (por ejemplo, del aire al agua). Se define el índice de refracción ($n$) como: $n = \frac{c}{v}$ Donde $v$ es la velocidad de la luz en ese medio. La Ley de Snell relaciona los ángulos y los índices: $n_1 \cdot \sin(\theta_1) = n_2 \cdot \sin(\theta_2)$

Un fenómeno interesante es la reflexión total interna, que ocurre cuando la luz pasa de un medio más denso a uno menos denso con un ángulo superior al ángulo límite. Este es el principio físico de la fibra óptica.

Las lentes son objetos transparentes que refractan la luz para formar imágenes.

• Convergentes: Son más gruesas en el centro que en los bordes. Hacen que los rayos paralelos se unan en un punto llamado foco ($F$). Se usan para corregir la hipermetropía.
• Divergentes: Son más delgadas en el centro. Separan los rayos de luz. Se usan para corregir la miopía. La potencia de una lente se mide en dioptrías ($D$), y es la inversa de la distancia focal medida en metros: $P = \frac{1}{f'}$.

El ojo funciona como un sistema óptico donde el cristalino actúa como una lente convergente que proyecta la imagen en la retina.

• Miopía: El ojo es demasiado largo o el cristalino muy potente. La imagen se forma delante de la retina. Se corrige con lentes divergentes.
• Hipermetropía: El ojo es corto o el cristalino poco potente. La imagen se formaría detrás de la retina. Se corrige con lentes convergentes.
• Presbicia (Vista cansada): Pérdida de elasticidad del cristalino con la edad, dificultando el enfoque de objetos cercanos.