Oscilaciones, ondas, sonido, luz y radiación

Una ola avanza sobre el agua, pero una boya sólo sube y baja alrededor de su posición. El sonido llega a un oído, pero las moléculas de aire no viajan desde la boca del hablante hasta el tímpano como proyectiles. La luz del Sol cruza el vacío sin necesitar aire. Estos ejemplos comparten una idea: una onda transporta energía e información mediante una perturbación que se propaga.

El capítulo anterior mostró que campos eléctricos y magnéticos variables pueden sostenerse mutuamente. Esa relación prepara la comprensión de la luz como onda electromagnética. Pero las ondas no son sólo luz: aparecen en cuerdas, agua, aire, sólidos, plasmas y campos. El objetivo es construir un lenguaje común sin borrar las diferencias entre medios y mecanismos.

22.1. Qué es una onda#

Una onda es una perturbación que se propaga transportando energía y momento. En una cuerda, la perturbación es el desplazamiento de partes de la cuerda. En el sonido, son variaciones de presión y densidad en un medio material. En la luz, son campos eléctricos y magnéticos variables. La palabra común no debe ocultar que el soporte físico cambia.

Las magnitudes básicas son amplitud, longitud de onda, frecuencia y velocidad de propagación. La amplitud mide el tamaño de la perturbación. La longitud de onda $\lambda$ es la distancia entre puntos equivalentes consecutivos, como dos crestas. La frecuencia $f$ es el número de ciclos por segundo y se mide en hertz. La velocidad de propagación cumple:

Esta relación no dice por sí sola qué fija $v$. En una cuerda, la velocidad depende de tensión y densidad lineal. En el sonido, depende de propiedades elásticas e inerciales del medio. En el vacío, las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz $c$, cuyo valor está fijado exactamente en el SI como $299792458\text{m}/\text{s}$. (BIPM, SI defining constants)

Una onda transversal oscila perpendicularmente a la dirección de propagación; una longitudinal oscila en la misma dirección. Las ondas en una cuerda ideal son transversales. El sonido en aire ordinario es longitudinal. Las ondas electromagnéticas en el vacío son transversales.

22.2. Superposición, interferencia y difracción#

Cuando dos ondas coinciden en una región, sus perturbaciones se suman. Este principio de superposición produce interferencia. Si dos crestas coinciden, la amplitud resultante aumenta: interferencia constructiva. Si una cresta coincide con un valle equivalente, pueden cancelarse parcialmente o por completo: interferencia destructiva.

La interferencia no significa que las ondas se destruyan permanentemente. En muchos sistemas lineales, después de cruzarse continúan propagándose. La cancelación ocurre localmente en el resultado combinado. Esta idea explica patrones de franjas en luz, nodos en cuerdas y zonas de sonido intenso o débil en recintos.

La difracción es la expansión o curvatura de una onda al pasar por una abertura o rodear un obstáculo. Es más notable cuando el tamaño de la abertura u obstáculo es comparable con la longitud de onda. Por eso el sonido puede rodear esquinas de manera más evidente que la luz visible en situaciones cotidianas: las longitudes de onda son muy distintas.

La interferencia y la difracción revelan el carácter ondulatorio de la luz. El experimento de doble rendija, en sus versiones clásicas y cuánticas, muestra que la distribución de intensidad no se entiende como simples partículas siguiendo trayectorias independientes. El capítulo de física cuántica retomará este punto con más cuidado.

22.3. Oscilaciones y resonancia: cuando el sistema responde con especial intensidad#

Antes de propagarse como onda, una perturbación puede repetirse localmente. Un sistema que se separa de una posición estable y recibe una fuerza restauradora puede oscilar. En el oscilador armónico ideal la fuerza es proporcional y opuesta al desplazamiento, $F=-kx$, y la posición varía como

donde $A$ es la amplitud, $\varphi$ la fase inicial y ${\omega }_0$ la frecuencia angular natural. El modelo aproxima resortes con pequeñas deformaciones, péndulos a ángulos pequeños, vibraciones moleculares y circuitos, pero deja de bastar cuando la respuesta no es lineal.

Un oscilador real pierde energía por rozamiento, resistencia eléctrica o emisión de ondas. Ese amortiguamiento reduce la amplitud si no hay aporte externo. Si además actúa una fuerza periódica, la respuesta depende de la frecuencia, la fase y la disipación; el sistema no copia simplemente el movimiento de la fuente.

Muchos sistemas tienen frecuencias naturales. Una cuerda tensada, una columna de aire, un puente, una molécula o un circuito pueden oscilar más fácilmente a ciertas frecuencias. La resonancia ocurre cuando una excitación periódica coincide con una frecuencia a la que el sistema responde intensamente.

La resonancia no crea energía desde la nada. Permite que pequeñas transferencias repetidas se acumulen si llegan con la fase adecuada y si la disipación no las elimina demasiado rápido. Empujar un columpio al ritmo correcto aumenta su amplitud porque cada empuje añade energía en el momento apropiado. Empujarlo fuera de fase puede reducir la oscilación.

El factor de calidad de una resonancia mide, de forma general, cuán estrecha y poco amortiguada es. Resonancias muy agudas almacenan energía durante muchos ciclos; resonancias amortiguadas pierden energía rápido. En instrumentos musicales, filtros electrónicos, cavidades ópticas y espectros atómicos, la resonancia permite seleccionar frecuencias.

La resonancia también puede ser peligrosa para estructuras si las vibraciones se amplifican más allá de lo tolerable. Pero el mecanismo no es magia ni «vibración destructiva» inevitable: depende de frecuencia, amortiguamiento, acoplamiento, amplitud y diseño.

22.4. Sonido: presión que se propaga en un medio#

El sonido en aire es una onda longitudinal de presión y densidad. Una fuente vibrante comprime y rarefacta el aire cercano; esas variaciones se transmiten por colisiones e interacciones entre moléculas. Las moléculas oscilan alrededor de posiciones locales; no viajan colectivamente desde la fuente hasta el oído.

La velocidad del sonido depende del medio. En aire seco a temperatura ordinaria es del orden de cientos de metros por segundo; en líquidos y sólidos suele ser mayor porque las propiedades elásticas y densidades cambian. La temperatura afecta la velocidad en gases porque cambia la energía microscópica y la relación presión-densidad.

La frecuencia del sonido se relaciona con tono percibido, aunque la percepción humana añade fisiología. La amplitud se relaciona con intensidad, pero la escala auditiva humana es aproximadamente logarítmica. El decibel se usa para niveles relativos, no como una unidad lineal simple de energía.

El efecto Doppler aparece cuando hay movimiento relativo entre fuente, observador y medio. La frecuencia observada cambia porque los frentes de onda llegan más juntos o más separados. Este principio se usa en acústica, radar, astronomía y medicina, con modelos adecuados a cada tipo de onda.

22.5. Luz y espectro electromagnético#

La luz visible es una pequeña parte del espectro electromagnético. Radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma forman una secuencia de frecuencias y longitudes de onda. Todas son radiación electromagnética; difieren en energía por fotón, interacción con la materia y métodos de detección. NASA mantiene recursos educativos que describen el espectro y sus regiones de observación. (NASA, Electromagnetic Spectrum)

En el vacío, la relación entre frecuencia y longitud de onda es:

A mayor frecuencia, menor longitud de onda. En física cuántica, la energía de un fotón se relaciona con la frecuencia mediante:

donde $h$ es la constante de Planck. Esto explica por qué radiación ultravioleta, rayos X o gamma pueden producir ionización con mayor facilidad que radio o microondas: sus fotones tienen mayor energía. El riesgo biológico depende de energía, intensidad, dosis, tejido y condiciones; no se determina sólo por el nombre de la región espectral.

La luz interactúa con la materia por reflexión, refracción, absorción, transmisión, dispersión y emisión. Un vidrio transparente al visible puede absorber ultravioleta o infrarrojo; la atmósfera terrestre deja pasar algunas longitudes de onda y bloquea otras. Por eso observar el universo en diferentes regiones del espectro requiere instrumentos y, a menudo, plataformas distintas.

22.6. Óptica: rayos, ondas y límites#

La óptica geométrica modela la luz mediante rayos que viajan en línea recta en medios uniformes y cambian de dirección al reflejarse o refractarse. Es una aproximación excelente cuando las longitudes de onda son pequeñas comparadas con los objetos y aberturas. Permite diseñar espejos, lentes y cámaras con reglas relativamente simples.

La ley de reflexión afirma que el ángulo de incidencia iguala al de reflexión, medidos respecto a la normal. La refracción se describe con la ley de Snell:

donde $n_1$ y $n_2$ son índices de refracción de los medios. El índice indica cómo cambia la velocidad de fase de la luz en el medio respecto del vacío.

La óptica geométrica falla cuando la longitud de onda no es despreciable. Entonces aparecen difracción, interferencia y límites de resolución. Ningún microscopio óptico convencional puede distinguir detalles arbitrariamente pequeños sólo aumentando lentes; la longitud de onda impone límites que se superan con otras técnicas, modelos y tipos de radiación.

22.7. Ondas como transporte de información#

Una onda puede transportar información si alguna de sus propiedades se modula de manera controlada: amplitud, frecuencia, fase, polarización o pulsos. Radio, fibra óptica, sonido, radar y comunicación espacial usan ondas como portadoras de señales. El mensaje no es la onda desnuda; es el patrón impuesto sobre ella y recuperado por un receptor.

Todo canal físico tiene límites. Ruido, atenuación, dispersión, ancho de banda, interferencia y sensibilidad del detector restringen cuánta información puede transmitirse con fiabilidad. Aumentar potencia no resuelve todos los problemas; puede introducir distorsión, interferencia o límites de seguridad.

La física de ondas conecta fenómenos cotidianos con herramientas científicas. Los espectros revelan composición química, las ondas sísmicas exploran el interior terrestre, el sonido diagnostica estructuras y la luz permite observar desde células hasta galaxias. El siguiente capítulo mostrará que, al llevar luz y movimiento a velocidades extremas, espacio y tiempo dejan de comportarse como la intuición cotidiana sugiere.

Preguntas de transferencia#

Medio y propagación#

Ejemplo construido. Una boya sube y baja cuando pasa una ola. Alguien concluye que el agua de la boya viajó desde mar adentro hasta la costa. ¿Qué distingue la física de ondas?

Difracción y longitud de onda#

Ejemplo construido. Se oye una conversación al otro lado de una esquina, pero no se ve a la persona. ¿Qué papel puede tener la longitud de onda?

Resonancia acumulativa#

Ejemplo construido. Dos personas empujan un columpio con la misma fuerza máxima. Una empuja al ritmo natural y otra en momentos desordenados. ¿Por qué cambia la amplitud final?

Radiación electromagnética#

Ejemplo construido. Una señal de radio y un rayo X son ambos radiación electromagnética. ¿Por qué no interactúan igual con la materia?

Fuentes y lecturas del capítulo#

OpenStax. University Physics Volume 1. Presenta ondas mecánicas, sonido, interferencia, resonancia y efecto Doppler. (OpenStax University Physics 1)

OpenStax. University Physics Volume 3. Desarrolla óptica, interferencia, difracción y fundamentos ondulatorios de la luz. (OpenStax University Physics 3)

NASA. The Electromagnetic Spectrum. Recurso institucional para regiones del espectro electromagnético y usos científicos de distintas longitudes de onda. (NASA Electromagnetic Spectrum)

NIST. Atomic Spectra Database. Base de datos de líneas espectrales que ilustra cómo la radiación permite identificar transiciones atómicas. (NIST Atomic Spectra Database)

BIPM. The International System of Units: SI defining constants. Fuente oficial para la velocidad de la luz y la constante de Planck. (BIPM, SI defining constants)

Bibliografía de la parte III · Bibliografía general

Última revisión editorial

28 de septiembre de 2026

Cierre de contenidos

28 de septiembre de 2026