Ondas en una y dos dimensiones y sus fenómenos

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5. Fenómenos ondulatorios en una y dos dimensiones

5.1. Reflexión de las ondas

Las ondas, ya sean unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales se reflejan en mayor o menor medida al llegar a objetos. En situaciones cotidianas observamos la reflexión de las ondas, por ejemplo, el eco de un sonido emitido en una habitación grande y vacía o en un lugar abierto rodeado de superficies donde el sonido se puede reflejar. En los extremos de las cuerdas de una guitarra o de cualquier instrumento de cuerda, se reflejan los pulsos generados creando ondas que se llaman estacionarias (estas ondas estacionarias se estudian en cursos superiores). La reflexión de las ondas se aplica a diversos dispositivos tecnológicos, por ejemplo el sonar, algunas antenas de radio, entre otras y además los murciélagos, los delfines y otros animales utilizan este fenómeno para ubicarse y ubicar presas utilizando la ecolocalización.

Ondas unidimensionales

Extremo fijo

En la imagen se ve un pulso recorriendo la cuerda de un violín. Observa cómo al llegar a los extremos el pulso se refleja, y al hacerlo se invierte. ¿Por qué sucede esta inversión?

cuerda de violín en la que se observa la reflexión de un pulso


Observemos la inversión del pulso en el simulador de la Universidad de Colorado:

 

Esta inversión del pulso al llegar al extremo fijo se puede explicar con el Principio de acción y reacción, la cuerda le ejerce al extremo fijo una fuerza y el extremo fijo le ejerce a la cuerda otra fuerza con igual módulo y dirección pero con sentido opuesto, en la imagen a continuación puedes ver el diagrama de dichas fuerzas aplicadas sobre el extremo fijo (donde está atada la cuerda) y sobre la cuerda.

Captura de pantalla del simuador onda en una cuerda que muestra el instante en que el pulso llega al extremo fijo. Se han representado la fuerza que actúa sobre el extremo fijo y que realiza la cuerda, y la fuerza que actúa sobre la cuerda y que es ejercida por el extremo fijo.

Extremo libre

En el caso que el extremo de la cuerda sea libre, el pulso no se invierte, ya que el extremo no ejerce fuerza sobre la cuerda, por lo tanto la cuerda sube y baja sin experimentar inversión. En el video a continuación se muestra esta situación con el uso del simulador de onda en una cuerda.

 

 

Ondas bidimensionales

En la superficie del agua, si las ondas se encuentran con un obstáculo, también se pueden reflejar. Observa el siguiente video que te muestra cómo se reflejan las ondas en la superficie del agua.

Video: Experimento de ondas - Reflexión. Autor: Castillodelascs. Licencia Estándar de Youtube. Recuperado de: https://www.youtube.com/watch?v=nkInOdBAQpE

La reflexión de ondas planas en dos dimensiones se puede representar si se trata de un pulso:

la imagen consta de dos partes, en la primera se muestra una onda que está llegando a una superficie reflejante, está representada con una línea recta de color azul y se indica que es la cresta de la onda incidente. Perpendicular a ella se muestra un rayo que indica el sentido de propagación de la onda. En la segunda parte se muestra la onda reflejada, representada con color verde, y perpendicular a ella se muestra el rayo que indica el sentido de propagación de esta onda reflejada.

Se puede representar esta misma situación mostrando el pulso incidente y reflejado en un mismo diagrama:
Se muestra el pulso u onda incidente representada con una línea de color azul llegando a la superficie reflejante y la onda reflejada que se ha representado con color verde, luego de un tiempo de ocurrida la reflexión.

La reflexión de ondas planas periódicas en dos dimensiones se puede representar:

Se muestran ondas planas periódicas incidentes que van llegando a una superficie reflejante, representadas por líneas azules y paralelas y un rayo perpendicular a ellas que indica el sentido de propagación de las ondas. Se muestran también las ondas reflejadas, representadas por líneas verdes paralelas y el rayo que indica el sentido de propagación. La superficie reflejante está representada por un rectángulo de color gris con línea exterior negra.

En el caso de ondas periódicas con forma curva:
Se muestran frentes de onda periódicos y curvos que inciden el una superficie reflejante y los mismos frentes de onda un tiempo posterior reflejados.