Las ondas transportan energía sin transportar materia: cómo se propaga el sonido, qué es el efecto Doppler y por qué los instrumentos musicales suenan diferente.
Las ondas son uno de los fenómenos más fundamentales y ubicuos de la naturaleza. La luz que te permite leer estas palabras es una onda electromagnética. El sonido de la música que escuchas es una onda mecánica. Los terremotos sacuden la Tierra con ondas sísmicas. Los teléfonos celulares se comunican mediante ondas de radio. Los médicos ven el interior del cuerpo con ultrasonido y rayos X. Comprender las ondas es comprender una enorme fracción de la física del mundo real.
Un ejemplo claro: cuando lanzas una piedra a un estanque, se forman ondas circulares en la superficie. Un corcho que flota en el agua sube y baja al paso de las ondas, pero no se desplaza con ellas hacia la orilla. La onda transporta energía (el movimiento del corcho), pero no transporta el agua.
La amplitud es el desplazamiento máximo de una partícula desde su posición de equilibrio. Determina la intensidad o energía de la onda. En el caso del sonido, la amplitud determina el volumen (más amplitud = sonido más fuerte). En las olas del mar, la amplitud es la altura de la ola.
La longitud de onda (símbolo: λ, letra griega lambda) es la distancia entre dos puntos consecutivos en el mismo estado de vibración: por ejemplo, entre dos crestas o dos valles consecutivos. Se mide en metros (m).
La frecuencia es el número de oscilaciones completas (ciclos) que ocurren por segundo. Se mide en Hertz (Hz): 1 Hz = 1 ciclo por segundo. Una frecuencia alta significa que las oscilaciones ocurren muy rápido. En el sonido, la frecuencia determina el tono: frecuencias altas producen sonidos agudos (como el canto de un canario); frecuencias bajas producen sonidos graves (como el golpe de un tambor).
El período es el tiempo que tarda una oscilación completa. Es el inverso de la frecuencia: T = 1/f. Si una onda tiene frecuencia de 100 Hz, su período es 0.01 segundos.
La velocidad de onda es la velocidad a la que se desplaza la perturbación a través del medio. Está relacionada con la frecuencia y la longitud de onda mediante la ecuación fundamental de las ondas:
En una onda transversal, las partículas del medio oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Ejemplo: si sacudes una cuerda horizontalmente, las ondas viajan a lo largo de la cuerda pero las partículas de la cuerda suben y bajan (perpendicular). Las ondas de luz y las ondas en la superficie del agua son transversales.
En una onda longitudinal, las partículas del medio oscilan paralelas a la dirección de propagación. El sonido es una onda longitudinal: las moléculas de aire se comprimen y se expanden en la misma dirección en que viaja el sonido, creando zonas de compresión (alta presión) y rarefacción (baja presión).
El sonido se produce cuando un objeto vibra (una cuerda de guitarra, las cuerdas vocales, la membrana de un tambor) y transmite esas vibraciones al medio circundante (generalmente el aire) en forma de ondas de presión. Estas ondas viajan hasta llegar al oído, donde hacen vibrar el tímpano, iniciando el proceso de audición.
A diferencia de la luz (que viaja igualmente rápido en el vacío), el sonido necesita un medio material para propagarse. En el vacío del espacio, no hay sonido. La velocidad del sonido depende de la elasticidad y densidad del medio:
| Medio | Velocidad del sonido | Observación |
|---|---|---|
| Aire (20°C) | ~343 m/s (1,235 km/h) | Varía con la temperatura: más caliente = más rápido |
| Agua dulce (25°C) | ~1,497 m/s | ~4 veces más rápido que en el aire |
| Acero | ~5,100 m/s | ~15 veces más rápido que en el aire |
| Vacío | 0 m/s | El sonido no puede propagarse sin materia |
La intensidad del sonido se mide en decibeles (dB), una escala logarítmica que refleja la percepción humana del volumen. Cada aumento de 10 dB representa una multiplicación por 10 de la intensidad física, aunque el oído lo percibe como aproximadamente el doble de fuerte.
| Fuente de sonido | Nivel (dB) | Efecto |
|---|---|---|
| Umbral de audición | 0 dB | El más suave que podemos oír |
| Susurro | 30 dB | Muy silencioso |
| Conversación normal | 60 dB | Confortable |
| Tráfico intenso | 85 dB | Daño auditivo tras exposición prolongada |
| Concierto de rock | 110 dB | Daño en minutos sin protección |
| Motor de avión | 140 dB | Daño inmediato; umbral de dolor |
Todos los objetos tienen una o más frecuencias naturales de vibración. Cuando una fuerza externa aplica vibración a esa misma frecuencia, el objeto vibra con amplitud creciente: esto es la resonancia. La resonancia puede ser extraordinariamente poderosa.
Los instrumentos musicales funcionan creando ondas estacionarias en cuerdas (guitarra, violín) o columnas de aire (flauta, trompeta, órgano). La frecuencia del sonido producido depende de la longitud de la cuerda o columna de aire, su tensión y densidad. Al presionar los trastes de una guitarra, acortas la longitud vibrante de la cuerda, aumentando la frecuencia y produciendo notas más agudas. Al abrir y cerrar los orificios de una flauta, cambias la longitud efectiva de la columna de aire.
El ultrasonido son ondas sonoras con frecuencias por encima del límite de audición humana (más de 20,000 Hz). Aunque no podemos oírlo, tiene aplicaciones médicas y tecnológicas fundamentales: