Ondas: energía que viaja
Las ondas cruzan un estanque, la luz cruza una habitación, el sonido cruza el aire: las ondas transportan energía e información sin transferir materia. Esta sección proporciona su vocabulario y ecuaciones, el espectro electromagnético con sus usos y peligros, y el comportamiento de la luz y (P) sonido: reflexión, refracción y reflexión interna total.
Física Edexcel International GCSE 4PH1, Sección 3 (enunciados 3.1–3.29P). Unidades: grado (°), hertz (Hz), metro (m), m/s, segundo (s).
Propiedades de las ondas
Ondas transversales oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación (luz, agua). Ondas longitudinales oscilan a lo largo de la dirección de propagación como compresiones y rarefacciones (sonido). Vocabulario: amplitud (desplazamiento máximo), longitud de onda λ (de una cresta a la siguiente), frecuencia f (ondas por segundo, Hz), período T (tiempo por onda), frente de onda (una línea de crestas simultáneas).
Ejercicio resuelto. Una onda sonora de 340 Hz a 340 m/s: $\lambda = 340/340 = 1$ m; período $= 1/340 \approx 2.9$ ms. El efecto Doppler: una fuente que se acerca a un observador agrupa los frentes de onda — frecuencia observada más alta; alejándose los estira — frecuencia más baja.
El espectro electromagnético
Una familia, misma velocidad en el vacío, ordenadas por longitud de onda decreciente (frecuencia creciente): radio → microondas → infrarrojo → visible (rojo a violeta) → ultravioleta → rayos X → gamma.
| Radiación | Uso | Peligro |
|---|---|---|
| radio | radiodifusión, comunicaciones | — |
| microondas | cocción, televisión satelital | calentamiento interno de tejidos |
| infrarrojo | calefacción, visión nocturna | quemaduras en la piel |
| visible | fibras ópticas, fotografía | — |
| ultravioleta | lámparas fluorescentes | daño a células superficiales, ceguera |
| rayos X | imágenes internas de objetos/cuerpos | cáncer, mutación (ionizante) |
| gamma | esterilización de alimentos y equipos | cáncer, mutación |
Protección: limitar el tiempo de exposición, blindajes, crema solar (UV).
Luz y sonido
La luz es transversal y refleja y refracta. Ley de reflexión: ángulo de incidencia = ángulo de reflexión. Refracción: al entrar en vidrio (ópticamente más denso), la luz se frena y se desvía hacia la normal; al salir, se desvía hacia afuera.
La reflexión interna total ocurre cuando el ángulo dentro del medio más denso supera el ángulo crítico — principio de las fibras ópticas (comunicaciones, endoscopios) y prismas en periscopios.
Ejercicio resuelto. Vidrio con $n = 1.5$: $\sin c = 1/1.5 = 0.667$, por lo tanto $c \approx 41.8°$. Un rayo dentro del vidrio que golpea la frontera en 45° supera 41.8° — se refleja internamente de forma total.
(P) El sonido es longitudinal, 20–20 000 Hz para la audición humana; el tono aumenta con la frecuencia, la intensidad con la amplitud. Un osciloscopio con micrófono muestra la onda; las prácticas miden ecos o resonancias para hallar la velocidad del sonido en el aire.
Compruébalo tú mismo
- Indique una similitud y una diferencia entre ondas transversales y longitudinales.
- Defina amplitud, longitud de onda y frecuencia.
- Una onda de frecuencia 500 Hz se propaga a 340 m/s. Calcule su longitud de onda.
- Enuncie el orden del espectro electromagnético según frecuencia creciente.
- Dé una aplicación cada uno de microondas, infrarrojos y rayos gamma, y un peligro de la radiación UV.
- Enuncie la ley de la reflexión.
- ¿Hacia dónde se desvía la luz al entrar en el vidrio y al salir?
- El vidrio tiene n = 1.5. Calcule el ángulo crítico.
- (P) Enuncie el rango de frecuencias auditivas humanas y qué aumenta el tono y el volumen.
- (P) ¿Cómo cambia la traza de un osciloscopio cuando un sonido se vuelve más fuerte manteniendo el mismo tono?
Respuestas: 1 ambas transfieren energía sin transferir materia; la transversal oscila perpendicularmente a la dirección (luz), la longitudinal paralelamente como compresiones (sonido); 2 amplitud — desplazamiento máximo desde la posición de reposo; longitud de onda — distancia entre puntos idénticos sucesivos; frecuencia — número de ondas que pasan por segundo; 3 $\lambda = 340/500 = 0.68$ m; 4 radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X, gamma; 5 microondas — cocción/satélites; infrarrojo — calefacción/visión nocturna; gamma — esterilización; UV daña células superficiales y puede causar ceguera; 6 ángulo de incidencia = ángulo de reflexión; 7 hacia la normal al entrar, alejándose de la normal al salir; 8 $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 9 (P) 20–20 000 Hz; mayor frecuencia eleva el tono, mayor amplitud eleva la intensidad; 10 (P) los picos de la traza se vuelven más altos (amplitud) mientras el número de ciclos por segundo (frecuencia) permanece igual.