Qué es una onda

¿Para qué sirve esto?

En un estadio lleno, la tribuna hace «la ola»: cada persona se pone de pie y se vuelve a sentar, y sin embargo algo da la vuelta completa a la cancha. Nadie camina alrededor del estadio; lo que viaja es el movimiento, que pasa de una persona a la siguiente.

Eso mismo ocurre con el sonido de tu voz, con la luz que entra por la ventana, con la señal del celular y con el temblor que sacude un edificio. Todos son ondas: llevan energía e información de un sitio a otro sin llevar la materia consigo. Entender qué es una onda es la puerta de entrada para estudiar el sonido, la luz, la música, la radio y los terremotos, que ocupan buena parte de este curso.

Antes de empezar necesitas recordar qué es una oscilación (un movimiento de ida y vuelta alrededor de una posición de equilibrio) y cómo se calcula una rapidez: distancia recorrida dividida por el tiempo empleado.

Una perturbación que viaja

Amarra una cuerda larga a un poste, tómala del otro extremo y dale una sacudida rápida hacia arriba y hacia abajo. Verás una joroba que corre por la cuerda hasta el poste. Esa joroba es un pulso. Si en lugar de una sola sacudida mueves la mano de arriba abajo sin parar, sale una serie de jorobas, una detrás de otra: una onda periódica.

Mira ahora un pedacito de la cuerda, por ejemplo un nudo que le hayas hecho a la mitad. Cuando llega el pulso, el nudo sube, baja y vuelve a su sitio. El nudo no viaja hasta el poste: lo que viaja es la forma de la joroba. Por eso decimos que una onda es una perturbación que se propaga, y que cada parte del medio solo oscila alrededor de su posición de equilibrio.

La onda lleva energía, no materia

Piensa en un corcho que flota en un estanque tranquilo. Si alguien tira una piedra a unos metros, las ondas llegan al corcho y lo hacen subir y bajar. El corcho se mueve, así que recibió energía, pero cuando las ondas pasan sigue prácticamente en el mismo lugar: el agua que estaba junto a la piedra no viajó hasta el corcho.

Esa es la idea central de toda la unidad: una onda transporta energía de un lugar a otro sin transportar materia. Un trueno puede hacer vibrar los vidrios de una ventana lejana, y no es porque el aire de la nube haya llegado hasta allí, sino porque la perturbación pasó de una capa de aire a la siguiente, como la ola del estadio pasa de una persona a la de al lado.

Mecánicas y electromagnéticas: ¿necesita un medio?

Una primera forma de clasificar las ondas es preguntar por dónde viajan.

• Las ondas mecánicas necesitan un medio material que se deforme: una cuerda, un resorte, el agua, el aire, las rocas de la Tierra. El sonido es una onda mecánica: viaja porque unas moléculas de aire empujan a las vecinas. Si se le saca el aire a una campana de vidrio que tiene un timbre adentro, el timbre sigue vibrando pero cada vez se oye menos: sin medio, el sonido no se propaga.
• Las ondas electromagnéticas no necesitan medio: son campos eléctricos y magnéticos que se generan uno al otro y pueden viajar por el vacío. La luz del Sol cruza el espacio vacío antes de llegar a tus ojos. También son electromagnéticas las ondas de radio, las del wifi, las microondas y los rayos X.

En el vacío, todas las ondas electromagnéticas viajan con la misma rapidez, la de la luz, que en este curso tomamos como $3 \times 10^8$ m/s. El sonido en el aire es muchísimo más lento: lo tomamos como unos $340$ m/s (a unos 15 °C; es un valor aproximado). Por eso en una tormenta ves el relámpago antes de oír el trueno, aunque los dos se producen al mismo tiempo.

Transversales y longitudinales: ¿hacia dónde oscila el medio?

La segunda clasificación compara dos direcciones: la dirección en que avanza la onda y la dirección en que oscilan las partículas del medio.

• En una onda transversal las partículas oscilan perpendicularmente a la dirección de avance. La onda de la cuerda es transversal: la onda corre horizontal hacia el poste y cada pedacito de cuerda sube y baja. La luz también se describe como una onda transversal: sus campos eléctrico y magnético oscilan perpendiculares a la dirección en que viaja.
• En una onda longitudinal las partículas oscilan en la misma dirección en que avanza la onda. Toma un resorte largo y blando, estíralo sobre el piso y empuja y hala uno de sus extremos a lo largo del resorte. Verás zonas donde las espiras se juntan (compresiones) y zonas donde se separan (rarefacciones), y esas zonas avanzan por el resorte. El sonido en el aire es longitudinal: las moléculas van y vienen en la misma dirección en que viaja el sonido, formando compresiones y rarefacciones.

Las dos clasificaciones no se excluyen: una onda es mecánica y transversal (la cuerda), mecánica y longitudinal (el sonido en el aire) o electromagnética y transversal (la luz). Un buen ejemplo de que un mismo medio admite los dos tipos son los terremotos: las llamadas ondas sísmicas P son longitudinales y las S son transversales, y las dos viajan por el interior de la Tierra.

La rapidez de una onda

Como la perturbación avanza, tiene una rapidez: la distancia que recorre la cresta del pulso dividida por el tiempo que tarda,

$$v = \frac{d}{t}.$$

Esa rapidez es la de la forma de la onda, no la de las partículas del medio. En la siguiente lección verás que depende sobre todo del medio: qué tan tensa está la cuerda, de qué material es el resorte, si el sonido viaja por aire, por agua o por un riel.

En resumen

• Una onda es una perturbación que se propaga; cada parte del medio solo oscila alrededor de su posición de equilibrio.

• Una onda transporta energía de un lugar a otro, pero no transporta materia.

• Las ondas mecánicas, como el sonido, necesitan un medio; las electromagnéticas, como la luz, viajan también por el vacío.

• En una onda transversal el medio oscila perpendicular al avance; en una longitudinal, en la misma dirección.

• La rapidez de una onda es la distancia que recorre la perturbación dividida por el tiempo, v = d/t.

Vocabulario

Onda

Perturbación que viaja de un lugar a otro llevando energía, sin que la materia del medio viaje con ella.

Pulso

Una perturbación única y corta que viaja por un medio, como la joroba que avanza por una cuerda sacudida una sola vez.

Medio

La sustancia por la que viaja una onda mecánica: una cuerda, un resorte, el aire, el agua o el suelo.

Onda mecánica

Onda que necesita un medio material para propagarse; el sonido es un ejemplo.

Onda electromagnética

Onda formada por campos eléctricos y magnéticos que puede viajar por el vacío; la luz es un ejemplo.

Onda transversal

Onda en la que las partículas del medio oscilan perpendicularmente a la dirección en que avanza la onda.

Onda longitudinal

Onda en la que las partículas del medio oscilan en la misma dirección en que avanza la onda.