Onda y Tipos de Ondas: ¿Qué es una Onda, Radio, Definición, Partes

Etimológicamente la palabra onda proviene del latín “ondus” que quiere decir remolino u ola. Las olas que produce el mar, y en menor medida en los ríos, son ondas pues son porciones de aguas que se elevan y caen en forma alternativa.

En Física, según la definición de los autores Bazo y Tricárico, la onda consiste en una propagación de energía sin que exista desplazamiento de la materia.

Las ondas son portadoras de energía y se producen cuando un medio elástico se perturba en alguno de sus puntos, produciéndose una propagación de dicha perturbación (del movimiento y no de las partículas) a otros puntos contiguos.

¿Qué es una Onda?

Las ondas (o movimientos ondulatorios) son, fundamentalmente, de dos clases: mecánicas y electromagnéticas. Las ondas mecánicas necesitan un medio material para propasarse; las electromagnéticas no, pues se propagan también por el vacío. Atendiendo a otros aspectos, las ondas son:

  1. periódicas, cuando proceden de una fuente que vibra periódicamente y transmite frentes de ondas en sucesivas perturbaciones;

  2. no periódicas, cuando son perturbaciones o frentes de onda aislados;

  3. longitudinales, si el desplazamiento de las partículas del medio es paralelo a la dirección de traslación de la energía (como el sonido);

  4. transversales, si la onda va asociada a desplazamientos perpendiculares a la dirección de propagación de la energía (como las ondas electromagnéticas);

  5. progresivas o viajeras, transportan energía y cantidad de movimiento desde el origen a otros puntos del entorno;

  6. estacionarias, no transmiten energía pero si intercambian energías cinética y potencial en sus elongaciones.

Las ondas progresivas se propagan con una velocidad que depende exclusivamente de las propiedades del medio. En su propagación pueden experimentar:

  • reflexión o cambio de dirección de su velocidad en el medio, al chocar con alguna superficie;

  • propagación dentro de un segundo medio en donde pueden experimentar refracción y dispersión;

  • polarización, fenómeno exclusivo de las ondas transversales,

La superposición de ondas en una región del espacio puede dar origen a:

  • interferencias, pulsaciones y ondas estacionarias cuando coinciden en determinadas direcciones y frecuencias.

  • difracción, cuando un objeto dificulta el paso de la onda y distorsiona el avance del frente.

Ecuación de las ondas progresivas unidimensionales sinusoidales. Las ondas sinusoidales se producen cuando un cuerpo vibra con m.a.s. y no se distorsiona al propasarse. En general, toda onda se puede considerar como superposición de ondas sinusoidales de frecuencia, amplitud y fase correspondientes. Un movimiento vibratorio sinusoidal es doblemente periódico porque es función del desplazamiento de la onda y del tiempo. Por eso se expresa la elongación por el símbolo: y (x,t).

En el origen, la ecuación del m.a.s. que origina la onda es: y(0,t)= A sen (w t) en la cual w =2p /T  =2p f es la pulsación o frecuencia angular de la onda. La elongación y de un punto cualquiera x de la onda (x > 0) varía también con el tiempo, pero presenta un desfasamiento respecto del origen. Por eso se escribe la ecuación de cualquier punto de la onda: y (x, t) = A sen (w t-j ). Como la velocidad v de la onda que se propaga por un medio homogéneo e isótropo es constante, el desfasamiento depende de la distancia del punto x al origen; luego j = kx.

Y así tenemos una ecuación de las ondas unidimensionales sinusoidales que se desplazan hacia la derecha (sentido positivo):

y (x, t) = Asen (w t- kx) (m) (7.1)

k se llama número de ondas. Si la onda se propaga hacia la izquierda (sentido negativo) la velocidad v y los desplazamientos x respecto del origen son negativos y entonces la ecuación se escribiría:

y (x, t) = Asen (w t+ kx) (m) (7.2)

La ecuación de ondas describe el estado de vibración [y] de cualquier partícula del medio en cualquier posición [x] y en cualquier instante [t], dicha partícula realiza un MAS al ser alcanzada por la onda.

Longitud de onda. Es la distancia que hay entre dos puntos consecutivos de la onda que están en fase, es decir, con la misma velocidad (v), aceleración (a) y elongación (y).

Por tanto: kl =2p ,  k = 2p /l (m-1)  k número de ondas,  representa el número de longitudes de onda que hay en la longitud 2p . Sustituyendo w y k por sus valores obtenemos de las ecuaciones anteriores otra expresión equivalente de las ondas unidimensionales:

y (x, t) = Asen 2p (t/T ± x/l ) (m) (7.3)

Si el tiempo t se incrementa en un periodo T la fase de la onda no cambia pero la onda avanza una longitud l igual a v·T de donde v=l /T=l f  y :

v=(l /2p )·(2p f)=w /k (m/s) (7.4)

La fase de un movimiento ondulatorio se expresa en la ecuación por el argumento; en la (7.3) es: 2p (t/T ± x/l ).

La onda transmite energía; la energía transportada se caracteriza, entre otros parámetros, por la intensidad de onda I Intensidad de onda es la energía que fluye perpendicularmente a la dirección de propagación a través de la unidad de superficie en cada segundo. Se expresa así:

I=E/S·t=P/S (w·m-2) (7.5)

El sonido. El sonido es una onda mecánica longitudinal que se puede propagar por sólidos, líquidos y gases. En su desplazamiento por los gases origina variaciones de presión, densidad y desplazamiento de las masas de gas por el que se propaga. Al llegar al oído actúa sobre la membrana del tímpano y, a través de la cadena de huesecillos del oído medio, transmite al cerebro por el nervio auditivo la percepción del sonido.

Las ondas sonoras capaces de ser detectadas por el oído humano van desde 20 Hz (umbral inferior) a 20000 Hz (umbral superior). Por debajo de 20 hz están los infrasonidos (mareas, ondas sísmicas) y por encima de 20000Hz, los ultrasonidos (como el sonar, de baja energía, y las vibraciones de las redes cristalinas (cuarzo), de alta energía.

El ruido es un sonido audible no armonioso. Procede de ondas no periódicas. Una nota musical es un sonido agradable; procede de ondas periódicas. El sonido o nota fundamental es la vibración cuya frecuencia f0, es la más baja que se puede obtener en la flauta aguda (caramillo). Un armónico es una nota cuya frecuencia es un múltiplo entero de f0.

Todo sonido posee una mayor o menor energía que es función de su mayor o menor frecuencia. Las moléculas del aire transmiten la energía que proviene de un movimiento periódico, el cual se produce al superponerse un número limitado de movimientos armónicos simples. Referida la energía a la masa de la unidad de volumen o densidad r , vale: E = (½)r w 2A2 y como w =2p f, tenemos:

E = 2p 2 r f2 A2 (julios) (7.6)

Esta energía es muy notable en los ultrasonidos; en los de alta frecuencia llega a ser diez mil millones de veces mayor que en los sonidos normales. Por esto se emplea para destruir células vivas suspendidas en medio líquido, y separar la grasa del pus.

Las notas o sonidos musicales se caracterizan por la intensidad, el tono y el timbre. La intensidad de un sonido depende de la mayor o menor amplitud de la onda, ya que la energía de la misma es función del cuadrado de la amplitud. La audición está unida a la intensidad de la onda sonora. Para cada frecuencia hay una intensidad mínima (umbral de audición) por debajo de la cual no se oye; y una intensidad máxima que produce sensación de dolor (umbral doloroso). El nivel de intensidad sonoro, se mide en decibelios (dB):

dB = 10log (I/I0) (7.7)

I0, es la intensidad inferior de audición que se toma como punto de referencia y vale: I =10-12 Wm-2 (en el aire). Así un sonido cuya intensidad sea 1000 veces superior a I0 –umbral de referencia- tiene de nivel:

dB = 10 log (103·10-22/10-12) =30 decibelios.

El tono de un sonido depende de su frecuencia. Los tonos agudos tienen mayor frecuencia que los graves. De la relacion: f = v/l se deduce que a mayor longitud de onda, menor frecuencia, y viceversa. El timbre depende de los armónicos que acompañan a los sonidos; como éstos varían con los instrumentos, por el timbre se distingue una nota dada por diferentes instrumentos.

Velocidad del sonido en los gases. La velocidad del sonido en el aire depende de las variaciones depresión, densidad y desplazamiento del mismo que se originan en el lugar de la perturbación (timbre, campana, guitarra ... ). El análisis de estos factores lleva a la expresión:

v = [(k/r )]1/2 (ms-1)

k es el módulo de elasticidad y r la densidad del gas. Por otra parte, entre las velocidades del sonido y la temperatura del gas se da la relación:

vi/v0 = [(Ti/T0)] 1/2

Conocida la velocidad a una temperatura absoluta (kelvin) se deduce, de la relación anterior, la velocidad a cualquier temperatura.

En los gases ideales en condiciones adiabáticas se obtiene, para la velocidad del sonido:

v = [(g RT/M)] 1/2

siendo g = CP/ Cv el coeficiente adiabático que vale para los gases monoatómicos: g = 1,67, y para los diatómicos g =1,40. M es la masa molar molecular del gas. A menor masa molar molecular mayor velocidad.

BIBLIOGRAFIA

Martínez Lorenzo A. y Manera Artigas,  Física Cuestiones y Problemas Resueltos, Bruño

Tipler F. J., Física, Reverté

Carrascosa J. y Martínez S., Problemas de Física COU, Santillana

Alonso M. y Finn A., Física Vol. 2, F.E.I.

A. Peña-F. Garzo Física COU Mc Grau Hill; A. Peña-José A. García Física 2 Mc Grau Hill


Tipos de Ondas

¿Has tirado alguna vez una piedra en un estanque? Te habrás fijado en que se producen una serie de ondas que se propagan concéntricamente desde el punto donde cae la piedra, alejándose de él.

La piedra ha producido una perturbación en las moléculas sobre las que ha caido haciéndolas vibrar, transmitiendo éstas la vibración a sus moléculas vecinas y así sucesivamente.

Si en el estanque hay algún objeto flotando, observarás que al ser alcanzado por las ondas no se desplaza con ellas sino que se eleva y baja en la misma posición. Esto significa que no existe transporte de materia sino que lo que se transmite es la perturbación producida por la piedra.

Podemos, por tanto, decir que una onda es una vibración que se propaga.

En éste caso la perturbación es vertical y la propagación de la onda producida es horizontal, es decir ambas son perpendiculares.

Si la vibración es perpendicular a la dirección de propagación, tendremos una onda transversal.

En otros casos, como en las ondas sonoras, la propagación de la onda se produce en la misma dirección que la perturbación. Decimos, entonces, que tenemos una onda longitudinal.

Como habrás deducido las ondas producidas por la piedra en el estanque son ondas transversales.

El sonido es un ejemplo de onda longitudinal. Cuando hacemos vibrar un objeto, éste transmite la vibración a las moléculas de los gases que componen el aire que se encuentran próximas a él. A su vez las moléculas que han sufrido la perturbación se la transmiten a sus moléculas vecinas, de forma que la onda se va alejando del foco sonoro.

Observa las siguientes imágenes, en las que representamos las zonas de compresión y de dilatación típicas de una onda sonora:

Las vibraciones producidas por el foco sonoro hacen que el aire se comprima en unos puntos y se dilate en otros. Estas compresiones y dilataciones se transmiten de unos puntos a otros alejándose del foco sonoro. Así es como se transmite el sonido.

Tanto en el caso del sonido como en el de las ondas del estanque se necesita que haya un medio material que vibre. Las ondas que necesitan un medio material para propagarse se llaman ondas materiales.

Sin embargo existen otras ondas que no necesitan de un medio para propagarse y por lo tanto pueden viajar en el vacío.

Propiedades de las Ondas

Las ondas tienen cuatro propiedades que las diferencian a unas de otras:

Amplitud: Puede decirse que es la altura de la onda. Es la máxima distancia que alcanza un punto al paso de las ondas respecto a su posición de equilibrio.

En éstos gráficos puedes ver dos ondas de diferente amplitud.

Frecuencia: La frecuencia (f) es la medida del número de ondas que pasa por un punto en la unidad de tiempo. Generalmente se mide en hertzios (Hz) siendo un hertzio equivalente a una vibración por segundo. Por ello, también se utiliza el s-1 como unidad para medir la frecuencia.

Para conocer la frecuencia de una onda la dividimos en partes que van desde una "cresta" a la siguiente de forma que el número de crestas que pasa por un punto en cada segundo es la frecuencia.

La frecuencia de una onda es la inversa de su período T, que es el tiempo que tarda en avanzar una distancia igual a su longitud de onda.

Longitud de onda: La longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas. Como todas las distancias, se mide en metros, aunque dada la gran variedad de longitudes de onda que existen suelen usarse múltiplos como el kilómetro (para ondas largas como las de radio y televisón) o submúltiplos como el nanómetro o el Angstrom (para ondas cortas como la radiación visible o los rayos X).

Velocidad: Es la rapidez con que se propaga la onda. Se calcula utilizando la siguiente ecuación:

Ondas de radio

Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética. Una onda de radio tiene una longitud de onda mayor que la luz visible. Las ondas de radio se usan extensamente en las comunicaciones.

Las ondas de radio tienen longitudes que van de tan sólo unos cuantos milímetros (décimas de pulgadas), y pueden llegar a ser tan extensas que alcanzan cientos de kilómetros (cientos de millas). En comparación, la luz visible tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros, aproximadamente 5 000 menos que la longitud de onda de las ondas de radio. Las ondas de radio oscilan en frecuencias entre unos cuantos kilohertz (kHz o miles de hertz) y unos cuantos terahertz (THz or 1012 hertz). La radiación "infrarroja lejana", sigue las ondas de radio en el espectro electromagnético, los IR lejanos tienen un poco más de energía y menor longitud de onda que las de radio.

Las microondas, que usamos para cocinar y en las comunicaciones, son longitudes de onda de radio cortas, desde unos cuantos milímetros a cientos de milímetros (décimas a decenas de pulgadas).

Varias frecuencias de ondas de radio se usan para la televisión y emisiones de radio FM y AM, comunicaciones militares, teléfonos celulares, radioaficionados, redes inalámbricas de computadoras, y otras numerosas aplicaciones de comunicaciones.

La mayoría de las ondas de radio pasan libremente a través de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, algunas frecuencias pueden ser reflejadas o absorbidas por las partículas cargadas de la ionosfera.

Señales de AM y de FM

Hay dos formas de modular la onda portadora de las señales eléctricas: la modulación de amplitud (AM) o la modulación de frecuencia (FM). La primera modifica el grado de ondulación de la onda portadora, y las señales de frecuencia modulada alteran el número de veces por segundo que ondula la onda portadora.

Las señales de AM están más expuestas a interferencias eléctricas, las que producen el ruido llamado estática. Las señales de FM no permiten la estática, pero sólo se propagan en línea recta.

Las bandas de onda de AM y FM

La modulación de amplitud sirve para la radiodifusión de largo alcance, en longitudes de onda de entre 1 000 y 2 000 m. Estas ondas llegan a viajar miles de kilómetros desde su punto de origen, ya que se reflejan en la ionosfera, una capa electrificada de la atmósfera, situada entre 130 y 160 km por encima del planeta. Estas ondas se difunden a grandes distancias debido a la reflexión múltiple entre el suelo y la atmósfera. Las señales de AM se difunden en tres bandas de onda: larga (1 0002 000 m), media (187577 m) y corta (10100 m).

Las bandas de onda de FM incluyen la frecuencia muy alta (VHF), de entre 87 y 108 MHz (vea pág. siguiente). La VHF se emplea en radios de la policía, de los taxis y los de banda civil. La frecuencia ultraalta (UHF), de entre 450 y 855 MHz, se emplea en la televisión. Las microondas mantienen longitudes de menos de 30 cm. Los radares y los satélites de comunicaciones funcionan con microondas de frecuencias superaltas de 3 a 30 gigahertz (GHz).

Ondas invisibles procedentes del espacio

Cuando vemos el arco iris, lo que en realidad percibimos son ondas luminosas. Normalmente la luz es invisible, pero cuando atraviesa las gotas de lluvia, se refracta (se desvía) porque el agua es más densa que el aire, frena las ondas luminosas y las descompone en siete colores. Cada uno con ondas de distintas longitud, las que se refractan en ángulo diferente.

Cuanto más corta es la longitud de onda, más se desvía la luz. El violeta tiene la longitud de onda más corta, y el rojo la más larga.

La luz visible está constituida por sólo una mínima parte de todas las ondas electromagnéticas que nos rodean. Son éstas la energía radiante que emiten el Sol y las estrellas.

Las ondas sonoras son mecánicas, no electromagnéticas; las de radio si lo son. Las ondas de radio que las radiodifusoras generan eléctricamente para transmitir sonidos son de naturaleza similar a las ondas de radio que nos llegan del espacio.

Definición y clasificación de ondas

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Definimos en una onda:

AMPLITUD: Es la máxima desviación de una onda; está relacionada con la cantidad de energía de dicha onda.

PERIODO o CICLO: Es el intervalo de tiempo transcurrido entre dos pasos sucesivos de un punto por el mismo estado de oscilación.

FRECUENCIA: Es el número de períodos o ciclos por unidad de tiempo, (segundos). Se mide en Hercios = 1 ciclo /sgdo., y en sus múltiplos.

Llamamos a 1.000 Hzs. = 1 Khz. (kiloherzio).

1.000.000 Hzs. = 1.000 Khzs. = 1 Mhz. (megaherzio). 

1.000.000.000 Hzs. = 1.000.000 Khzs. = 1.000 Mhzs. = 1Ghz. (gigaherzio) 

LONGITUD DE ONDA: Es el espacio que recorre la onda durante un período o ciclo.

INTENSIDAD: Es la fuerza con la que se propaga una onda electromagnética.

POLARIZACIÓN: Es la posición que ocupa el campo eléctrico de la onda con respecto a la superficie de la Tierra. La velocidad de la luz o de las ondas electromagnéticas es de 300.000 Kms./s., luego, si lo aplicamos a lo dicho anteriormente resulta: 

Longitud de onda en m = 300.000 Kms/ Frecuencia en Khzs. 

O lo que es lo mismo: Frecuencia en Khzs.: 300.000 Kms./ Longitud de onda en m.

Comprobamos que en una misma unidad de tiempo, a mayor longitud de onda menor frecuencia, y viceversa.

Las ondas electromagnéticas son generadas por un emisor y son captadas por un receptor. Lógicamente el emisor es el que crea la onda, conforme a un tipo, frecuencia y alcance determinado; el receptor debe estar dentro del alcance de la onda y ha de ser capaz de poder sintonizar con el tipo y frecuencia de la onda emitida.

La antena del emisor emite al espacio las ondas que se propagan por el mismo (avance y difusión de la onda de diferentes formas), hasta que son captadas por la antena del receptor.

La propagación de las ondas no son idénticas, como anteriormente apuntábamos, sino que depende de la frecuencia de emisión y, por lo tanto, las clasificamos en: (FIG. 6).

  1. ONDAS DIRECTAS o DE ESPACIO: Las ondas con frecuencias muy altas, del orden de los 30 Mhzs., se propagan en línea recta desde la antena emisora a la receptora; son ondas métricas (VHF) y ondas decimétricas (UHF), y que constituyen las llamadas ondas normales. El alcance se limita a unas 50 millas, es decir, su alcance es prácticamente el visual. Mientras mas altas estén las antenas, mas alcanzan.

  2. ONDAS DE SUPERFICIE o TERRESTRES: Con frecuencias comprendidas entre 30 y 300 Khzs.; son ondas kilométricas (OM), y que constituyen las llamadas ondas de frecuencia media; se propagan adaptándose a la curvatura de la Tierra, atenuándose en su superficie. El alcance es de unas 400 millas.

  3. ONDAS REFLEJADAS o CELESTES: Son las que se dirigen hacia la Atmósfera y se reflejan en la zona ionizada de la misma (capa Heaviside) volviendo nuevamente a la Tierra; son ondas hectométricas (OC) de 300 Khzs. a 30 Mhzs. y que constituyen las llamadas ondas de alta frecuencia; propagándose por la superficie llegan a unas 400 millas, pero reflejadas a unas 8.000 millas. Las bajas frecuencias u ondas miriamétricas de 3 a 30 Khzs. llegan a grandes distancias por reflexión pero su alcance es muy limitado por propagación directa. Puede ser que una misma onda llegue directamente a la antena y luego, nuevamente, por reflexión; a dicho lapso de tiempo le llamamos "fading".

Partes de una onda

Una onda senoidal se caracteriza por:

  • Amplitud: A0

  • Longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos.

  • Período: tiempo en completar un ciclo, medido en segundos. T

  • Frecuencia: es el número de veces que se repite un ciclo en un segundo, se mide en (Hz) y es la inversa del periodo (f=1/T)

  • Fase: el ángulo de fase inicial en radianes. (ßRd). Es el punto donde nace el sonido. Fase 0 indica que el sonido parte de cero y fase de 90º, que empieza en su valor máximo. Como la función matemática del seno, es decir, sin(0) = 0 y sin(90) = 1

  • altura: se vincula tradicionalmente a la frecuencia o periodo de la fundamental.

  • amplitud: corresponde al volumen del sonido. En el mundo real se mide en decibelios (dB) y su rango suele estar entre los 20 y los 120 dBs, pero en el mundo digital hablamos de ceros y unos. 
    Todo esto, pues, tiene que ver con la forma en que describimos las ondas. Su fórmula es
    Posicion(tiempo)=Amplitud*sin(frecuencia*tiempo+fase)

  • frecuencia: es la velocidad a la que se mueve o vibra el sonido (la senoide). Por ejemplo una frecuencia de 440 Hz corresponde a un LA en la octava media de un piano. Esta es por ejemplo la nota a la que se suele afinar. Es una magnitud subjetiva y se refiere a la altura o gravedad de un sonido. Sin enbargo, la frecuencia es una magnitud objetiva y mensurable referida a formas de onda periódicas. Para expresar una frecuencia lo hacemos refiriéndonos a vibraciones por segundo. Así un frecuencia de 1 Herzio es lo mismo que decir que el sonido tiene una vibración por segundo

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