Tipos de Ondas: Mecánicas y Electromagnéticas

Todas las ondas obedecen al principio de «transporte de energía sin desplazamiento de materia» y constituyen una gran familia en la que se pueden identificar varios tipos, con diversas propiedades físicas. Existen, en particular, dos tipos principales: las ondas mecánicas, que para propagarse requieren un soporte material, y las ondas electromagnéticas, que no necesitan tal soporte.

Ondas Mecánicas y Acústicas: Ejemplos Cotidianos

Golpear simplemente con un dedo la esquina de una mesa crea ondas mecánicas que se propagan en el aire (el sonido de percusión) y en la mesa (en forma de vibración). Las olas son otro ejemplo, desde las ondulaciones en un estanque hasta una onda de marea. Las ondas sísmicas pertenecen a esta categoría, siendo la consecuencia de profundos choques geológicos que se propagan a través de la corteza terrestre.

En el otro extremo de la escala, pulsar una goma elástica la hace vibrar, generando ondas mecánicas que la recorren.

El sonido es más universal: se trata de una onda generada por la vibración mecánica de un material que se desplaza a través del aire o el agua. Estas ondas acústicas son muy fáciles de ajustar o «modular»: si se habla en una u otra dirección, si se grita o susurra, cada uno de estos cambios alterará la longitud, la amplitud y la frecuencia del sonido.

Campos Electromagnéticos: El Espectro y sus Propiedades

Las ondas electromagnéticas (conocidas también como campos electromagnéticos o CEM) constituyen una categoría igualmente variada, que se puede clasificar por bandas de frecuencia (conocidas como «espectro» electromagnético). Este espectro se extiende desde las frecuencias más bajas (por ejemplo, las de las líneas eléctricas) hasta las frecuencias más altas (rayos UV, rayos X, rayos gamma).

Entre estos dos extremos se encuentran las ondas de radio (o radiofrecuencias) presentes y utilizadas en las comunicaciones y, por supuesto, la luz: todo lo que nuestros ojos ven es transmitido por campos electromagnéticos, cuya frecuencia corresponde a la franja «visible» del espectro. ¿Qué distingue entonces los campos electromagnéticos de las ondas acústicas? A diferencia de estas, los campos electromagnéticos no requieren ningún medio para atravesar grandes distancias a alta velocidad (como la luz de las estrellas) ni para propagarse a través del vacío o determinados materiales.

Ondas Ionizantes y No Ionizantes: Diferencias y Riesgos

La frecuencia de una onda también refleja la cantidad de energía que transporta. A frecuencias muy altas, es decir, muy por encima del espectro visible, la cantidad de energía es tan grande que puede modificar la estructura de la materia que atraviesa, por ejemplo, alterando una molécula, liberando un electrón de un átomo y transformándolo en un ion.

Esta categoría de onda, conocida como «radiación ionizante», es un riesgo sanitario en caso de exposición prolongada. Por esta razón, se desaconseja pasar mucho tiempo en cabinas de bronceado UV y se recomienda al personal médico de radiología protegerse de los rayos X con dispositivos adecuados y delantales de plomo. Por el contrario, ninguna de las ondas situadas por debajo del espectro visible (y en particular las ondas de radio) tiene energía suficiente para romper un enlace atómico o molecular, siendo consideradas radiaciones no ionizantes.

Aplicaciones de las Ondas en la Vida Cotidiana y la Tecnología

Cada una de las diferentes bandas de frecuencia tiene su aplicación. Entre otras, se destacan:

• Frecuencias bajas y muy bajas (menos de 50 kHz): Utilizadas en comunicaciones submarinas (hidrófonos) y detectores de metal. Son emitidas por las líneas de transporte de electricidad.
• Radiofrecuencias (desde 100 kHz hasta 300 GHz aproximadamente): Constituyen la banda de espectro óptima para las telecomunicaciones, incluyendo radio, televisión, radar, telefonía inalámbrica, telefonía móvil, Wi-Fi, entre otros.
• Ondas infrarrojas: Empleadas en dispositivos de mando a distancia, equipos de visión nocturna y lámparas para incubadoras de cría.
• Rayos ultravioleta (UV): Se utilizan en cabinas de bronceado, detectores de billetes falsos y dispositivos para la secuenciación del ADN.
• Rayos X: Aplicados en radioscopia médica, sistemas de seguridad en lugares públicos (escáneres de equipaje) y en la industria para verificar piezas de metalurgia.
• Rayos gamma: Con aplicaciones médicas en diagnóstico (gammagrafía) y terapia (radioterapia).

Comprendiendo la Longitud de Onda: Conceptos Fundamentales

A partir del ejemplo dado al comienzo de la piedra que tiramos al agua, las ondas que se generan o dibujan lo hacen con una forma sinusoidal caracterizada por picos y valles. La distancia entre dos picos de la onda sinusoidal se denomina longitud de onda.

Una onda se puede clasificar de dos maneras principales. La primera considera la dirección de propagación de la vibración. Si la vibración se produce perpendicular a la dirección de propagación, hablamos de ondas transversales (como las del mar o las electromagnéticas). Si la vibración ocurre en la misma dirección que la propagación, estamos hablando de ondas longitudinales (como las ondas de sonido). La segunda clasificación requiere tomar en consideración los medios por los cuales las ondas se propagan. Este último puede ser un medio físico (como para las ondas que se extienden en un fluido) o el vacío (como para las ondas de luz y las ondas de radio). En cualquier caso, la onda siempre se define por la velocidad de propagación (v), la longitud (λ) y la frecuencia (ν).

La longitud de onda se indica en metros (m) y se define como la distancia entre dos puntos de máximo (picos) o dos puntos de mínimo (valles). La frecuencia se calcula en Hertz (Hz) e indica la periodicidad de una onda, es decir, cuántas veces se repite en un intervalo de tiempo dado. Una frecuencia de «2 Hz» significa que la onda alcanza dos picos en un segundo. La velocidad de la onda está representada por los metros que viaja en un segundo. En el caso de las radiaciones electromagnéticas que se propagan en el vacío, esta es igual a la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000 km/s).

En la mayoría de problemas matemáticos relacionados con las ondas, suele ser necesario averiguar la longitud de una determinada onda, para lo cual se suele aportar como dato la frecuencia que acabamos de explicar.

Veamos a continuación los pasos para aplicar la fórmula de la longitud de onda:

Cálculo de la Longitud de Onda: Fórmula y Ejemplo Práctico

A continuación, presentaremos un ejemplo práctico para ilustrar el cálculo de la longitud de onda.

Imagina que una onda electromagnética tiene una frecuencia de 1.5 × 10¹⁴ Hz, es decir, una onda electromagnética que se propaga en el vacío con una frecuencia de 1.5 × 10¹⁴ Hz. Nuestro objetivo es determinar la longitud de esa onda.

Según lo explicado, la longitud de onda (λ), la frecuencia (ν) y la velocidad de propagación (c) están unidas entre sí por la siguiente relación matemática:

c = λ × ν

A partir de esto, es posible derivar la fórmula para el cálculo de la longitud de onda:

λ = c / ν

Donde:

• λ: longitud de onda, medida en metros (m).
• c: velocidad de la luz en el vacío, con un valor aproximado de 3 × 10⁸ m/s.
• ν: frecuencia, medida en Hertz (Hz = 1/s).

Al reemplazar los datos en la fórmula, obtenemos:

λ = c / ν = (3 × 10⁸ m/s) / (1.5 × 10¹⁴ 1/s) = 2 × 10^-6 m

Recordando que 1 μm (micrómetro) = 10^-6 m, tenemos que:

2 × 10^-6 m = 2 μm

Por lo tanto, la longitud de onda de la onda electromagnética es de 2 μm.