viernes, 28 de mayo de 2010

ONDAS ELASTICAS Y ONDAS ELETROMÁGNETICAS

Para entender el siguiente tema, comencemos hablando de manera general sobre lo que es una onda mecánica.

ONDAS MECÁNICAS: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad.
ONDAS ELÁSTICAS: Si tomamos una barra de algún material elástico (metal, madera, piedra, etc.) por un extremo y la golpeamos en el otro extremo, sentiremos que la energía del golpe se transmite a través de la barra y llega a nuestra mano. Esto sucede porque cada parte de la barra se deforma y luego vuelve a su forma original; al deformarse jala o empuja a las partes vecinas, las cuales, a su vez, mueven a sus propias partes vecinas, etc., lo que hace que la deformación viaje a lo largo de la barra. Nótese que es la deformación la que viaja y no las partículas o pedazos de la barra, los cuales sólo se desplazan un poco de su posición original y luego vuelven a ella.
Una deformación que viaja a través de un medio elástico se llama onda elástica; y cuando el medio a través del cual se desplaza es la Tierra, se llama onda sísmica.
Al conjunto de todos los puntos en el espacio que son alcanzados simultáneamente por una onda se le llama frente de onda. Un ejemplo familiar es el de las ondas formadas en la superficie de un lago al dejar caer en ella algún objeto (Figura 17); los frentes de onda son los círculos concéntricos que viajan alejándose de la fuente, es decir, del lugar donde se originó el disturbio.
Si trazamos líneas (imaginarias) perpendiculares a los frentes de onda (indicadas por líneas punteadas en la figura), veremos que indican la dirección en la que viajan las ondas. Estas líneas son llamadas rayos, y son muy útiles para describir las trayectorias de la energía sísmica.
La onda sísmica deforma el terreno a través del cual pasa, lo cual indica que puede hacer trabajo, y, por lo tanto, corresponde a energía elástica que se desplaza. En el caso de ondas generadas por explosiones, la energía es producto de las reacciones químicas o nucleares que causaron la explosión; en el caso de ondas generadas por sismos, es la que estaba almacenada como energía de deformación en las rocas.
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio pudiendo, por tanto, propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado. Son las ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas luminosas.
Los distintos textos coinciden en una clasificación general de las ondas en electromagnéticas y mecánicas, tomando como criterio de clasificación la forma en que ellas son generadas. Así, las ondas mecánicas son las generadas por la vibración de una masa y las ondas electromagnéticas, las generadas por la vibración de una carga eléctrica.
Una carga eléctrica en reposo, ya sea que esté en un medio material o en el vacío, genera en el espacio que la rodea un campo eléctrico estático. A al comenzar a vibrar, debido a la acción de una fuerza recuperadora, el campo eléctrico generado varía en el tiempo con la misma frecuencia de la vibración. De acuerdo a las leyes de Maxwell, este campo variable genera, a su vez, un campo magnético variable, de igual frecuencia. Recíprocamente, este último genera nuevamente un campo eléctrico variable, de igual frecuencia. Estas interacciones continúan sucediéndose en el tiempo mientras vibre la carga original, dando lugar a lo que se llama onda electromagnética. La frecuencia de esta onda queda determinada por la frecuencia de vibración de la carga y no puede ser modificada por circunstancias externas.
Las ondas electromagnéticas pueden propagarse tanto en un medio material como en el vacío; la única diferencia radica en el valor máximo que alcanzarán la intensidad del campo eléctrico y la del campo el magnético. Esta será mayor en el vacío que en un medio material.
Como ejemplo de estas ondas tenemos a las ondas luminosas, las ondas de radio y televisión, las microondas, las ondas ultravioleta.,
La amplitud de la onda electromagnética, y por consiguiente la energía almacenada en la misma, depende exclusivamente de los valores máximos de la intensidad de los campos eléctrico y magnético, Ellos podrán ser modificados solamente si se modifican las características electromagnéticas del medio en el que se propaga la onda, esto es su permitividad dieléctrica y su permeabilidad magnética.
Resulta interesante aclarar que esta concepción de las ondas electromagnéticas es relativamente nueva, específicamente surge entre fines del siglo XIX y principios de siglo XX. Antes, aunque ya se había demostrado que la luz era una onda y que llegaba hasta nuestro planeta procedente del espacio exterior, se postulaba que este espacio exterior estaba lleno de una sustancia de cualidades increíbles, a la que se denominaba éter. Con ello se buscaba explicar como una onda se trasmitía en el vacío. Sin embargo, al introducir la noción de éter, automáticamente el vacío dejaba de serlo.
Cuando lo que vibra es una masa que ha sido separada de su posición de equilibrio, en un medio material elástico, ella arrastra en su movimiento a las partículas del entorno e interactúa con ellas, modificando sus posiciones respecto de una situación de equilibrio y haciéndolas vibrar simultáneamente con ella, con su misma frecuencia.
Es así como al perturbar sólo una masa con un movimiento de vibración, éste es trasmitido a través del medio circundante, como en una reacción en cadena. Si no existiera un medio elástico, no habría posibilidad de alterar el estado de movimiento de las masas circundantes. Debe existir una interacción mecánica entre la masa origen del movimiento y las demás. Por esto se las denomina, ondas mecánicas.
Como ejemplo de estas ondas tenemos a las ondas sonoras, las ondas en la superficie de un líquido, las ondas en un gas, las ondas sísmicas.
La amplitud de este movimiento ondulatorio puede variar si se modifican las condiciones de elasticidad del medio. Esto significa que la amplitud de la onda mecánica no depende solamente de la amplitud de vibración de la masa que la genera, sino también de las propiedades de elasticidad del medio en el que se propaga.
En el caso de las ondas mecánicas, el estado de movimiento vibratorio de cada una de las partículas del medio elástico material en el que se propaga la onda se caracteriza por una cierta amplitud. Esta depende, en primer lugar, de la energía entregada a la masa original (a la fuente) para producir la vibración y, en segundo lugar, de las propiedades elásticas del medio.
Cada partícula del medio, alternativamente, adquiere energía potencial y libera energía cinética, y al interactuar con las partículas inmediatas de su entorno les va transfiriendo dicha energía. De esta forma se va transmitiendo la energía de la fuente al medio. Las partículas, por su parte, sólo se desplazan temporalmente de su posición de equilibrio, pero vuelven a ella al término de cada ciclo. La energía entregada en cualquier punto del medio mediante una vibración alcanza así otros puntos del entorno que rodea a la fuente sin que la materia circundante se haya trasladado de lugar.
Una primera clasificación de las ondas mecánicas emplea como criterio la dirección relativa del movimiento de vibración de las partículas del medio con respecto a la dirección de la propagación de la onda. Así, se denominan ondas longitudinales aquellas en que las partículas del medio vibran en dirección paralela a la dirección de propagación de la onda; y se denominan ondas transversales aquellas en que las partículas del medio lo hacen en dirección perpendicular.
En el caso de las ondas electromagnéticas, a partir de las ecuaciones de Maxwell es posible demostrar que ellas son ondas transversales, pues se propagan en dirección perpendicular tanto a la dirección de vibración del campo eléctrico, como a la del campo magnético.
El modelo matemático común para todos los tipos de ondas es el denominado Teoría de Campos. A partir de la física se utilizan principalmente el Modelo Newtoniano de la mecánica, si la propiedad de la partícula que se considera es su masa, generando las denominadas Ondas Mecánicas y si la propiedad considera es la carga eléctrica, se utiliza la teoría electromagnética de Maxwell para el estudio de la generación de las denominadas Onda Electromagnética.

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