Ondas y sonido CN-G8-DBA4

Una onda se define como una perturbación que se propaga a través de un medio transportando energía sin desplazar materia neta. Esta distinción ha sido establecida como fundamento de la física ondulatoria.

Las ondas se caracterizan por cuatro magnitudes fundamentales. La amplitud (A) es la altura máxima de la perturbación desde la posición de equilibrio; en el sonido, corresponde al volumen percibido. La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos crestas consecutivas, medida en metros. La frecuencia (f) es el número de oscilaciones completas por segundo, expresada en hertzios (Hz); en el sonido, frecuencia alta produce sonido agudo y frecuencia baja produce sonido grave. El período (T) es el tiempo de una oscilación completa y se relaciona con la frecuencia mediante T = 1/f. La velocidad de propagación queda determinada por v = λ · f, válida para todas las ondas.

El sonido es una onda mecánica longitudinal: las partículas del medio oscilan en la misma dirección de propagación. Como onda mecánica, el sonido requiere un medio material y no se transmite en el vacío. En el aire a 20 °C, la velocidad del sonido ha sido medida en aproximadamente 343 m/s; en medios más densos, aumenta: agua ~1.500 m/s, hierro ~5.000 m/s. El oído humano percibe frecuencias entre 20 Hz y 20.000 Hz; por debajo son infrasonidos y por encima son ultrasonidos.

Las ondas mecánicas requieren un medio material (sonido, ondas sísmicas), mientras que las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío (luz, radio, rayos X). Las aplicaciones han sido reconocidas en medicina (ecografía por ultrasonidos para diagnóstico), sismología (análisis del interior de la Tierra) y telecomunicaciones (modulación de ondas de radio).

Práctica

Observa el diagrama de la onda arriba. Si la frecuencia es f = 2 Hz y la longitud de onda es λ = 0,5 m, calcula la velocidad de propagación.

Velocidad v = λ · f = 0,5 m × 2 Hz = 1 m/s. La ecuación v = λ · f es válida para cualquier tipo de onda. Esta velocidad es baja comparada con el sonido en aire (343 m/s) o la luz en el vacío (3 × 10⁸ m/s); el diagrama usa valores didácticos para facilitar el cálculo.

Una onda sonora tiene período T = 0,002 s. Calcula su frecuencia y clasifícala para el oído humano.

Frecuencia f = 1/T = 1/0,002 = 500 Hz. Esta frecuencia está dentro del rango audible humano (20 Hz a 20.000 Hz) y se percibe como un tono medio, similar al rango de la voz humana (80-1.100 Hz). Frecuencias menores de 20 Hz son infrasonidos y mayores de 20.000 Hz son ultrasonidos.

La ecografía médica usa ultrasonidos de 2 a 18 MHz. Explica por qué se prefieren frecuencias altas para imágenes detalladas.

Las altas frecuencias producen longitudes de onda muy cortas (λ = v/f, v ≈ 1.500 m/s en tejidos), lo que permite resolver detalles pequeños: mayor frecuencia equivale a mejor resolución espacial. Los ultrasonidos no ionizan tejidos (a diferencia de los rayos X) y se reflejan en interfaces entre tejidos de distinta densidad, generando las imágenes diagnósticas.