FENÓMENOS ASOCIADOS A LAS ONDAS: Reflexión, Refracción, Difracción, Interferencias, Ondas Estacionarias, Polarización

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Supondremos que las ondas son esféricas o planas. En general, cuando sea posible, los fenómenos los consideramos para cualquier tipo de ondas, sin hacer referencia específica a ninguna en particular.

En estos apartados interesa definir el concepto de RAYO. Un rayo es una línea imaginaria tangente en cada punto al vector que define la dirección de propagación de la onda. Los rayos representan, por consiguiente, las direcciones en las que la perturbación progresa a través del medio y tienen la propiedad de ser perpendiculares a los frentes de onda. Así los rayos asociados a ondas esféricas son radiales, del mismo modo que los asociados a ondas planas serán líneas rectas paralelas a la dirección de propagación. Mediante ellos es posible estudiar el comportamiento de las ondas de una forma más sencilla que dibujando sus frentes respectivos.

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REFLEXIÓN:

Reflexión es el fenómeno que tiene lugar cuando las ondas que avanzan por un medio homogéneo chocan contra un obstáculo que las hace retroceder, cambiando de dirección y sentido.

«Cambio de dirección de propagación que experimenta una onda al encontrarse con un obstáculo adecuado a su maturaleza de tamaño mayor que su longitud de onda.»

Se llama ángulo de incidencia φ al que forma la dirección en que llega la onda con la normal a la superficie reflectora, y ángulo de reflexión φ‘ al que forma la normal con la dirección que sigue la perturbación después del choque.

En la reflexión se demuestra utilizando el principio de Huygens, así como la ley de Snell (pensar que la onda no cambia de medio) que:

El rayo incidente y el reflejado están contenidos en un mismo plano que es normal a la superficie reflectante.

El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

 

REFRACCIÓN:

Se dice que un medio es opaco con respecto a una perturbación dada cuando no permite el paso de ésta a través suyo. En caso contrario se considera transparente. En la superficie de separación de dos medios transparentes además de producirse un fenómeno de reflexión, la onda traspasará dicha superficie límite transmitiéndose al segundo medio. Este que se conoce con el nombre de refracción, viene acompañado de un cambio de dirección de propagación de la onda.

«Conjunto de fenómenos o cambios que experimenta una onda al pasar de un medio a otro de propiedades diferentes».

Según la LEY DE SNELL:

Donde n es el índice de refracción relativo del segundo medio respecto del primero. Los ángulos φ₁ y φ₂ son los ángulos de incidencia y refracción respectivamente. 

De la Ley de Snell se obtienen las leyes de la refracción:

1. Una onda que incide oblicuamente sobre una superficie plana que separa dos medios se refracta, y la razón de los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es igual al cociente de las velocidades del primer medio y del segundo. Dicho cociente también mide el índice de refracción.

2. Los ángulos de incidencia y de refracción son coplanarios.

En nuestro dibujo, la velocidad de propagación es menor en el segundo medio.

En el caso de ondas marinas, la refracción se puede producir al pasar a propagarse en aguas menos profundas, de diferente densidad, como a agua dulce o a una mancha de petróleo.

DIFRACCIÓN:

Se entiende por difracción el cambio de dirección que experimenta una onda en su propagación, en virtud de la cual la onda bordea los obstáculos o atraviesa pequeñas ranuras.

Es consecuencia directa del principio de Huygens.

Es el fenómeno que se presenta siempre que una onda se encuentra con un obstáculo, o una abertura, de dimensiones comparables a su longitud de onda. El obstáculo puede ser una casa, un poste…En ambos casos se bloquea el paso de una parte del frente de ondas. Físicamente se caracteriza porque la onda parece bordear los obstáculos, en vez de propagarse rectilíneamente.

INTERFERENCIAS:

Es el fenómeno que se presenta cuando en una región del espacio se encuentran, bajo ciertas condiciones, dos o más ondas. Nosotros lo vamos a estudiar para ondas de igual frecuencia (se obtiene como en el dibujo mediante un foco coherente).

Cuando dos ondas, procedentes de un foco coherente se cruzan o interfieren en un punto, el movimiento resultante puede reforzarse o anularse.

En las interferencias existe un máximo de amplitud cuando las diferencias de las distancias de los focos F₁ y F₂ (puntos en los que se origina c/u de las ondas) al punto P(donde estudiamos el fenómeno) son múltiplos de la longitud de onda λ. Se dice en este caso que las ondas interfieren en concordancia de fase.(«Donde se cruzan dos senos, la amplitud es máxima»).

Existe un mínimo cuando la diferencia de las distancias de los focos al punto es un múltiplo impar de semilongitud de onda. En este caso se habla de oposición de fase. («Donde se cruzan un seno y un valle, existe un cero de elongación»).

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ONDAS ESTACIONARIAS:

Fenómeno que se origina al superponerse dos ondas de la misma frecuencia y amplitud que se propagan con igual velocidad pero en sentido contrario. La onda resultante posee algunas características interesantes:

Para un punto dado (x=cte) la amplitud es constante y su movimiento es un MAS.

Para ciertos puntos del medio, la amplitud es nula. Estos puntos que no se mueven se llaman NODOS. La distancia entre dos nodos consecutivos es λ /2.

Otros puntos presentan una amplitud máxima e igual a 2A, la distancia entre dos antinodos o VIENTRES consecutivos es λ /2.

En las ondas estacionarias no hay transferencia de energía, la energía permanece estacionaria, hay intercambios entre las energías cinética y potencial, como si se tratara de un conjunto de osciladores armónicos. Entre dos nodos, la energía permanece estancada. En ellos Ep=0.

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POLARIZACION:

Es un fenómeno que sólo lo presentan las ondas transversales. El sonido por lo tanto, no lo presenta. Es el fenómeno que sirve para decidir si una onda es o no transversal.

En las ondas transversales la propiedad física que se propaga lo hace en una dirección perpendicular a la de la onda. Ahora bien, direcciones que cumplan esta condición hay infinitas: todas las que se encuentren en un plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda. En general, la dirección de variación de la magnitud física o del campo, variará al azar de unos puntos del medio a otros. Cuando esto ocurre se dice que la onda transversal no está polarizada.

Cuando, mediante algún procedimiento, se consigue que la magnitud que se propaga, lo haga siempre en la misma dirección, se dice que la onda se encuentra linealmente polarizada. El plano en que queda confinada la onda recibe el nombre de plano de vibración.

 

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