¿Por qué las olas del tifón se duplican de golpe? El misterio de la reflexión de ondas — extremo libre y extremo fijo【Física en tu móvil #10】
Soy Kuwako Ken, entrenador científico. Cada día es un experimento.
¿Alguna vez has oído noticias sobre personas que, en un día de tifón, se acercaron a la costa para ver las enormes olas y fueron arrastradas de repente por una ola inesperada? Detrás de muchos de estos accidentes se esconde una propiedad fascinante y peligrosa de las ondas: hay momentos en los que pueden alcanzar alturas mucho mayores de lo que aparentan. Hoy exploraremos este fenómeno a través de la reflexión de las ondas y descubriremos tanto su lado asombroso como su riesgo oculto.
Recordando la superposición de ondas
En la lección #09 vimos el principio de superposición de ondas. Cuando dos ondas se encuentran, sus desplazamientos se suman o se restan verticalmente.
Ejemplo: cuando una cresta coincide con otra cresta
Hoy veremos la tercera gran característica de las ondas: la reflexión.
Piedras y ondas: ¿reaccionan igual al chocar contra una pared?
Si lanzas una piedra contra una pared, la piedra golpeará la superficie con un fuerte impacto y caerá al suelo. En algunos casos incluso podría romperse.
Pero ¿qué ocurre si en lugar de una piedra enviamos una onda contra una pared? Por ejemplo, puedes generar olas en la bañera y observar qué sucede cuando llegan al borde.
¡Golpea la superficie del agua con la mano y crea una ola!
Cuando la onda alcanza la pared ocurre algo sorprendente: rebota y regresa prácticamente a la misma velocidad, como si nada hubiera pasado. Este fenómeno se llama reflexión de ondas.
La línea roja representa el frente de onda y la azul la dirección de propagación.
A diferencia de una piedra, la onda no se rompe ni desaparece al chocar. Simplemente regresa (aunque poco a poco su amplitud se va reduciendo hasta extinguirse).
Quizá pienses que una pelota de goma también rebota contra una pared. Es cierto, pero las ondas tienen algo especial: existen dos tipos de reflexión, y en una de ellas la onda regresa transformada en algo completamente distinto.
¿Salir siendo una persona y volver siendo otra?
Veamos estos dos tipos de reflexión uno por uno.
① Reflexión en extremo libre: vuelve con la misma forma
La onda que llega a la superficie se llama onda incidente, y la que regresa se denomina onda reflejada.
En situaciones como la del agua de la bañera, las crestas regresan como crestas y los valles como valles. Es decir, la fase no cambia durante la reflexión. A este fenómeno se le llama reflexión en extremo libre.
Veamos un vídeo.
Como puedes observar, la forma de la onda se conserva perfectamente durante el rebote.
La clave para producir una reflexión en extremo libre es que el punto donde ocurre la reflexión pueda moverse libremente.
Aunque cueste verlo, el extremo está unido mediante una cuerda.
De esta manera el extremo puede moverse arriba y abajo libremente, permitiendo observar la reflexión en extremo libre.
Veámoslo también en una simulación.
Otra característica muy importante es que la amplitud aumenta enormemente en la superficie de reflexión.
Si la amplitud original de la onda es A [m], la amplitud máxima en el extremo puede llegar a ser 2A [m], es decir, el doble.
Y aquí volvemos al ejemplo del principio. Durante un tifón, las olas que llegan desde mar abierto pueden reflejarse en muelles o diques. Cuando las ondas incidentes y reflejadas se superponen, pueden generar de repente olas mucho más altas de lo que parecía posible.
Por eso acercarse al borde del mar en esas condiciones es extremadamente peligroso. Una zona que parecía segura hace unos segundos puede convertirse en una trampa mortal. La física no solo explica fenómenos; también puede ayudarnos a proteger nuestra vida.
② Reflexión en extremo fijo: vuelve transformada
Ahora imaginemos que el extremo está completamente inmovilizado.
En la reflexión en extremo libre el extremo podía moverse.
Pero en este caso lo sujetamos firmemente, como en la siguiente imagen.
El extremo se fija directamente al soporte.
Observa lo que sucede en el experimento.
¡Sorprendente! Si enviamos una cresta, regresa convertida en un valle.
Y si enviamos un valle, vuelve como una cresta.
Comparemos ambos tipos de reflexión también mediante una simulación.
※ Se utilizó material digital incluido con el libro de texto digital de Tokyo Shoseki.
Cuando la fase cambia exactamente 180°, hablamos de reflexión en extremo fijo.
¡La onda vuelve completamente invertida!
Además, en este tipo de reflexión existe otra característica notable: la amplitud en el punto de reflexión llega a ser momentáneamente cero.
Esto ocurre porque el medio está fijado y no puede desplazarse durante la reflexión. Es justamente lo contrario de lo que sucede en un extremo libre.
¿Dónde aparecen estos dos tipos de reflexión?
La diferencia entre extremos libres y fijos no solo es importante en cuerdas o en el agua. También aparece en el mundo del sonido.
Los instrumentos de viento utilizan tubos abiertos y tubos cerrados, que corresponden respectivamente a extremos libres y extremos fijos. Gracias a estas reflexiones se determinan aspectos fundamentales como el tono y el timbre de los instrumentos.
Comprender cómo se reflejan las ondas también nos ayuda a entender cómo funciona la música.
En la próxima entrega profundizaremos aún más en la interpretación física de estos dos tipos de reflexión. ¡No te la pierdas!
Continuará…
#01 La idea más importante de todas sobre las ondas
#02 Los dos gráficos que más confunden sobre las ondas
#03-1 Cinco magnitudes físicas fundamentales
#03-2 Ejercicios de repaso Magnitudes físicas y gráficos de ondas
#04 ¿Qué es una onda longitudinal?
#05 ¿Representar ondas longitudinales como ondas transversales?
#06-1 ¡Volvamos de las ondas transversales a las longitudinales!
#06-2 Ejercicios de repaso ¿Cuál es el medio que permanece inmóvil?
#07 Las pequeñas piezas que forman una onda
#08 ¡Entendamos la difracción a partir de las ondas elementales!
#09 El principio de superposición de ondas
#10 La reflexión de las ondas: extremos libres y fijos
#11 ¿Cómo interpretar los dos tipos de reflexión?
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