Fenómenos ondulatorios: reflexión, refracción y difracción
A las nueve en punto suena el cañonazo en La Cabaña y, unos segundos después, el sonido vuelve a oírse desde los edificios del otro lado de la bahía. Una señal de wifi llega al cuarto contiguo aunque el router no se vea, y la luz, en cambio, no dobla la esquina. ¿Por qué las ondas se comportan así? Todas, sean de sonido, de luz o de agua, comparten el mismo repertorio de fenómenos: reflexión, refracción y difracción.
Reflexión
Cuando una onda llega a la frontera con otro medio u obstáculo, una parte «rebota» y vuelve al medio de donde venía. Eso es la reflexión. El eco en los mogotes de Viñales es la reflexión del sonido, y la imagen que ves en un espejo es la reflexión de la luz.
En un espejo plano la imagen es virtual (los rayos no pasan realmente por ella, solo parecen venir de ella), del mismo tamaño que el objeto y simétrica: se ve tan detrás del espejo como el objeto está delante.
El eco
Si el sonido se refleja en una pared lejana y vuelve, oyes el eco. El sonido hace el viaje de ida y vuelta, así que la distancia al obstáculo es
$$d = \frac{v \cdot t}{2}$$El sonar de los barcos y la ecografía usan esta misma idea con ultrasonido.
Un rayo de luz incide sobre un espejo plano formando un ángulo de $35^\circ$ con la normal. La figura muestra el rayo incidente. a) Enuncia las dos leyes de la…
Un rayo de luz incide sobre un espejo plano formando un ángulo de $35^\circ$ con la normal. La figura muestra el rayo incidente.
- a) Enuncia las dos leyes de la reflexión.
- b) Determina el ángulo de reflexión y el ángulo que forma el rayo reflejado con la superficie del espejo.
Un excursionista grita frente a la pared vertical de un acantilado y oye el eco $1,6\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$). El esquema…
Un excursionista grita frente a la pared vertical de un acantilado y oye el eco $1,6\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el aire: $340\ \text{m/s}$). El esquema representa el recorrido del sonido.
- a) Explica por qué se produce el eco, nombrando el fenómeno ondulatorio responsable.
- b) Teniendo en cuenta que el sonido recorre dos veces la distancia a la pared, calcula a qué distancia está el acantilado.
El sonar de un buque oceanográfico emite un pulso de ultrasonido de $50\ \text{kHz}$ hacia el fondo marino y el eco regresa $0,8\ \text{s}$ después (velocidad del sonido…
El sonar de un buque oceanográfico emite un pulso de ultrasonido de $50\ \text{kHz}$ hacia el fondo marino y el eco regresa $0,8\ \text{s}$ después (velocidad del sonido en el agua: $1500\ \text{m/s}$). El esquema muestra el recorrido del pulso.
- a) Calcula la profundidad del fondo, recordando que el pulso hace un recorrido de ida y vuelta.
- b) Calcula la longitud de onda del pulso en el agua y exprésala en centímetros.
Refracción y reflexión total interna
Una cuchara dentro de un vaso de agua parece quebrada. La refracción es el cambio de dirección que sufre una onda al pasar de un medio a otro en el que se propaga con distinta rapidez.
Reflexión total interna
Cuando la luz pasa de un medio donde va más lenta a otro donde va más rápida (por ejemplo, del vidrio o el agua al aire), el rayo se aleja de la normal. Si aumentas el ángulo de incidencia, llega un ángulo límite a partir del cual el rayo refractado ya no sale: toda la luz se refleja dentro del medio. Es la reflexión total interna.
Solo ocurre al ir hacia un medio donde la luz va más rápida. Del aire al agua nunca sucede. En esto se basa la fibra óptica: la luz queda atrapada rebotando dentro del hilo de vidrio y viaja kilómetros, incluso si la fibra se curva.
Un rayo de luz pasa del aire al agua y se observa que se acerca a la normal. a) ¿Qué fenómeno ondulatorio ha experimentado el rayo? Defínelo. b) Indica qué magnitud de…
Un rayo de luz pasa del aire al agua y se observa que se acerca a la normal.
- a) ¿Qué fenómeno ondulatorio ha experimentado el rayo? Defínelo.
- b) Indica qué magnitud de la onda no cambia al pasar de un medio a otro y cuáles sí cambian (velocidad de propagación y longitud de onda). Justifica por qué la frecuencia se conserva en el cambio de medio.
Difracción
Desde el pasillo oyes el televisor de la sala aunque no veas la pantalla. El sonido «dobla la esquina» pero la luz no. Ese fenómeno es la difracción: una onda se desvía de la propagación en línea recta al rodear un obstáculo o al pasar por una abertura.
Desde el pasillo se oye el televisor de la sala aunque no se vea la pantalla. El plano de la vivienda esquematiza la situación. a) ¿Qué fenómeno ondulatorio permite que…
Desde el pasillo se oye el televisor de la sala aunque no se vea la pantalla. El plano de la vivienda esquematiza la situación.
- a) ¿Qué fenómeno ondulatorio permite que el sonido «doble la esquina»?
- b) Razona, comparando el ancho de la puerta con las longitudes de onda típicas del sonido (del orden de $1\ \text{m}$) y de la luz (del orden de $5 \cdot 10^{-7}\ \text{m}$), por qué el sonido se difracta apreciablemente en la puerta y la luz no.
Un router doméstico emite su señal wifi en la banda de $2,4\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$). a) Calcula la longitud de onda de la señal y exprésala…
Un router doméstico emite su señal wifi en la banda de $2,4\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).
- a) Calcula la longitud de onda de la señal y exprésala en centímetros.
- b) Compárala con el ancho de una puerta ($0,8\ \text{m}$) y razona, nombrando el fenómeno ondulatorio responsable, por qué hay cobertura en el cuarto contiguo aunque no exista línea de vista directa con el router.
Un oleaje de longitud de onda $8\ \text{m}$ y velocidad $4\ \text{m/s}$ llega a la bocana de un puerto, una abertura de $10\ \text{m}$ entre dos espigones. La figura…
Un oleaje de longitud de onda $8\ \text{m}$ y velocidad $4\ \text{m/s}$ llega a la bocana de un puerto, una abertura de $10\ \text{m}$ entre dos espigones. La figura muestra la bocana vista desde arriba, con los frentes de ola que llegan.
- a) Calcula el período y la frecuencia del oleaje.
- b) Razona, comparando la abertura con la longitud de onda, si el oleaje se difractará al entrar y cómo afectará a las barcas fondeadas detrás de los espigones.
- c) ¿Cambiaría la situación si la abertura fuese de $100\ \text{m}$? Justifícalo.
Aplicaciones: ondas que viajan lejos
Las señales de radio son ondas electromagnéticas y viajan a $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$ incluso en el vacío. El sonido, en cambio, es una onda mecánica longitudinal: necesita un medio material y no se propaga en el espacio vacío. Por eso con las sondas espaciales nos comunicamos por radio y no por sonido.
El eco es reflexión. Lo usa el sonar de un barco con ultrasonido, y lo usan los radares con ondas de radio: se emite un pulso, rebota y por el tiempo de regreso se calcula la distancia con $d = v \cdot t / 2$.
La sonda Voyager 1 es el objeto construido por el ser humano más alejado: una señal de radio enviada desde la Tierra tarda $22,5\ \text{h}$ en alcanzarla (dato:…
La sonda Voyager 1 es el objeto construido por el ser humano más alejado: una señal de radio enviada desde la Tierra tarda $22,5\ \text{h}$ en alcanzarla (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).
- a) Expresa el tiempo en segundos y calcula la distancia a la sonda, dando el resultado en notación científica.
- b) Razona por qué la comunicación con las sondas espaciales se realiza con ondas electromagnéticas y no con ondas sonoras, aludiendo a la naturaleza de cada tipo de onda.
- c) Suponiendo, de forma idealizada, que la señal de radio se refleja en la sonda y regresa a la Tierra, el eco de un sonar y esa señal de vuelta son manifestaciones del mismo fenómeno ondulatorio: identifícalo y describe en qué consiste.
Un router emite en dos bandas de frecuencia: $2,4\ \text{GHz}$ y $5\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$). a) Calcula la longitud de onda de cada banda,…
Un router emite en dos bandas de frecuencia: $2,4\ \text{GHz}$ y $5\ \text{GHz}$ (dato: $c = 3 \cdot 10^{8}\ \text{m/s}$).
- a) Calcula la longitud de onda de cada banda, en centímetros.
- b) Razona, a partir del fenómeno de la difracción, qué banda rodea mejor los obstáculos domésticos (puertas, muebles) y, considerando también la absorción en los materiales, cuál atraviesa mejor las paredes.
- c) Los fabricantes recomiendan usar la banda de $5\ \text{GHz}$ solo cerca del router, aunque permite mayor velocidad de datos: relaciónalo con lo calculado en los apartados anteriores.
Vuelve al principio: el cañonazo se oye de nuevo por la reflexión del sonido en los edificios lejanos; el wifi llega al cuarto contiguo porque su longitud de onda es comparable a la puerta y se difracta, mientras que la luz, de longitud de onda minúscula, va en línea recta.