Me hiciste pensar un poco cómo describir las ondas para un aspirante a físico de nivel AP de una manera intuitiva. No pude encontrar una explicación simple que abarque todo. Todavía le doy una oportunidad para ver si te ayuda.
1) En física, estamos usando ondas para describir diferentes fenómenos que están todos enraizados en las matemáticas de variaciones “repetitivas” de un parámetro físico u observable.
Por ejemplo: variaciones de presión en ondas de sonido, desplazamientos mecánicos en ondas de cadena, energía electromagnética en luz, etc.
Los principales fenómenos descritos por las olas son:
1) La propagación del sonido. Aquí tenemos una compresión mecánica repetitiva de un medio como el aire. El sonido es esencialmente energía mecánica transportada a través de un medio en forma de ondas.
2) La propagación de la luz – radiación electromagnética. No hay medio a través del cual se propagan las ondas electromagnéticas. Podemos pensar en las ondas electromagnéticas como la perturbación de un campo de energía. La onda es esencialmente la energía de radiación generada por un oscilador, es decir, electrones que cambian orbitales en átomos y emiten fotones. El carácter de onda de la radiación EM se presenta solo cuando se emiten miles de millones de fotones.
3) El movimiento de cuerdas mecánicas como por ejemplo en un violín. Aquí la ola está de pie y se induce agregando energía mecánica a la cuerda (por ejemplo, con un arco de violín).
4) La descripción de la onda cuántica mecánica de los estados mecánicos cuánticos. Aquí la ola no tiene un significado físico intuitivo. Matemáticamente, la llamada función de onda describe el estado del sistema cuántico. Cuando aplicamos un operador al estado (otra forma de decir que realizamos una medición), el valor propio de la función resultante es indicativo de la probabilidad de encontrar un cierto valor de esa medición. Es una descripción muy abstracta y no tiene un significado intuitivo. Lo menciono aquí simplemente porque puede que hayas oído hablar de ello. Te sugiero que no te sobrecargues demasiado. Esto vendrá en cursos de nivel universitario.
5) Ondas en fluidos y superficies . El aspecto visible más fácil, por supuesto, es en olas de grandes superficies de agua. El movimiento de las olas es el resultado de un potencial aplicado al gran sumidero de agua, por ejemplo, por fuerzas de marea o movimientos de viento direccionales. Dado que el agua no puede simplemente absorber esa energía al “acumularse” en un lado de un lago como ejemplo debido al potencial gravitatorio, las ondas de agua son un mecanismo para disipar la energía inducida (esencialmente creando calor).
6) Muchos otros de los que puede haber oído hablar, por ejemplo, las ondas gravitacionales. Estoy seguro de que puedes hacer tu propia lista.
Matemáticamente, una onda se describe como una superposición de pecado y cos en función. Es posible que hayas oído hablar del análisis de Fourier. El análisis de Fourier es una forma de establecer cualquier función repetitiva como una superposición o suma de la función de pecado y cos. Incluso puede describir un “pico”, la llamada función de Dirac como una suma de ondas.
Luego se describe una onda como la suma (A * sen (wt) + B * cos (wt)), donde A y B son amplitudes, w es la frecuencia yt es el tiempo. Intuitivamente es fácil de entender en sonidos. Un cierto tono (una frecuencia exacta) se describiría exactamente con una w para indicar la frecuencia y en A para indicar “sonoridad”. Sin embargo, un tono consiste en superposiciones armónicas de muchas frecuencias. Digamos que tomas una flauta y creas un tono de una “a” musical que tiene una frecuencia de 440 hercios. En ese tono tendrás una mezcla de diferentes amplitudes de…. 55, 110, 220, 440, 880, 1760 … Hertz. El predominio proviene de 440 hertz.
Características clave de las olas.
1) Los aspectos más interesantes de las olas es que pueden interferir . Esto significa esencialmente que las amplitudes son aditivas cuando dos ondas se encuentran. Esto da lugar a muchos fenómenos físicos interesantes, como la difracción de la luz, la cancelación del sonido, etc.
2) En lo que concierne a la materia, las olas no transportan materia sino energía . Esto puede verse más fácilmente en ondas de sonido o de agua.
3) La fuente de ondas se debe a algo que llamamos abstractamente un oscilador . Piense en ello mecánicamente como una fuente de energía que se mueve hacia arriba y hacia abajo, o para la luz como electrones que saltan entre orbitales, o para el sonido de las vibraciones de una columna de aire en una flauta. Los osciladores generan la energía para inducir la onda.
Resumen
En resumen, las matemáticas de las ondas que usan superposiciones de las funciones del pecado y cos son una manera conveniente y esencial de describir un amplio espectro de fenómenos en la naturaleza. La onda, es decir, la amplitud y la fase, tienen diferentes significados y dependen de los fenómenos físicos estudiados. La amplitud puede ser una descripción de la energía, la ubicación, la perturbación del campo o simplemente una notación abstracta para un observable.
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