Reflexión de las ondas de cuerda

¿Has hecho alguna vez el skipping? ¿Has visto cómo se mueve la cuerda? Este movimiento de la cuerda puede servir de ejemplo para entender el movimiento de la ola.

Pero, ¿cuál es la razón de este movimiento de la cuerda? Es debido a la onda estacionaria.

Reflexión de las ondas de cuerda

¿Qué le ocurre a un objeto, supuestamente, una pelota cuando se lanza contra una pared dura? Sí, rebota. Esto puede denominarse "reflexión" experimentada por el objeto. Como física, este aspecto puede medirse en términos de conservación de la energía y el momento.

Por otra parte, si la colisión entre la pelota y la pared es elástica sin esfuerzo, en este caso se devuelve la energía incidente, así como el impulso. En términos sencillos, el objeto o la pelota rebotará a la misma velocidad.

Además, si la colisión tiende a ser inelástica, la pared (o la pelota) absorbería una parte del impulso y de la energía incidente. Por lo tanto, la pelota no rebotaría a la misma velocidad.

Es importante señalar que las ondas también transportan energía y momento. Por ello, cuando una onda choca con un obstáculo, tiende a reflejarse tras la colisión. Algunos de los fenómenos ondulatorios más conocidos, como el eco, son el resultado de la reflexión de las ondas.

Además, la generación de ondas estacionarias también es resultado de esta reflexión de ondas. ¿Se reflejan las ondas de cuerda? Conozcamos esto.

Propagación de un pulso de onda en una cuerda

En esta situación, un pulso de onda viaja por una cuerda. Aquí, la velocidad se denota por 'c'; es el ritmo con el que el pulso de onda se propaga a lo largo de la cuerda en función de la fuerza de restauración elástica (tensión, $T$) así como de la inercia (masa por unidad de longitud, $μ$). La ecuación se determina como

$c= \sqrt{\frac{T}{\mu }}$

Reflexión del límite rígido de la onda de la cuerda

En este caso, el pulso de onda sobre una cuerda se propaga de izquierda a derecha alcanzando el extremo donde se sujeta rígidamente. En el momento en que el pulso de onda alcanza el destino fijo, las fuerzas internas de restauración permitirían a la onda emitir una fuerza ascendente sobre el terminal de la cuerda. Sin embargo, como el terminal está sujeto, no hay posibilidad de que se mueva.

Por lo tanto, basándose en la tercera ley de Newton, la pared rígida podría estar aplicando una fuerza descendente igual hacia el extremo de la cuerda. Como resultado de esta nueva fuerza, se genera un pulso de onda que se transmite de derecha a izquierda. Su amplitud y su velocidad son similares a las de la onda incidente, pero con polaridad opuesta.

Reflexión del límite suave de la onda de la cuerda

Según esta condición, la cuerda se propaga de izquierda a derecha dirigida hacia el extremo de la cuerda que es libre de moverse verticalmente. Además, la fuerza vertical neta presente en el extremo libre debe ser cero. Además, la pendiente del desplazamiento de la cuerda debe ser cero, concretamente en el extremo libre, para demostrar matemáticamente esta condición de contorno.

Por lo tanto, la onda de pulso reflejada se propaga en la dirección de derecha a izquierda, teniendo la misma velocidad y amplitud que la onda incidente. La polaridad, en este caso, sigue siendo la misma.

Resonancia y onda estacionaria

El concepto de resonancia puede relacionarse con los fenómenos ondulatorios. En un medio ondulatorio, la resonancia (como en una cuerda) es una onda estacionaria. En palabras sencillas, equivale a la oscilación resonante de un muelle y una masa. Además, una cuerda estirada puede abarcar muchas frecuencias, a diferencia del muelle y la masa que mantienen una sola frecuencia de resonancia. Estas diversas frecuencias se denominan series armónicas y son responsables de la generación de tonos en una guitarra, un piano, etc.

Siempre que se transfiere energía a las cuerdas presentes en estos instrumentos, éstas tienden a oscilar en las frecuencias inusuales de la serie armónica. Si se observa el movimiento de la cuerda mientras vibra a una de las frecuencias específicas de la serie armónica, se puede analizar un patrón de onda estacionaria. Esto es diferente para cada frecuencia mencionada en la serie armónica.

Evualemos tus conocimientos:

¿Qué entiendes por onda estacionaria?

Respuesta: Una onda estacionaria es un tipo particular de onda que sólo puede formarse cuando el movimiento de una onda está controlado por una región fija. Para entenderlo, pensemos en una cuerda de guitarra que vibra. El movimiento de la cuerda de la guitarra está confinado en ambos terminales de la cuerda, donde se asocia realmente al cuerpo de la guitarra. Por lo tanto, cada vez que se pulsa la cuerda, la onda se refleja en cada uno de estos límites definidos.

En una onda estacionaria, la onda incidente y la onda reflejada se encuentran, donde ambas ondas tienen amplitud cero. Por lo tanto, cuando las ondas pasan una al lado de la otra, tienden a interferir de forma constructiva o destructiva.

Si quieres conocer otros artículos parecidos a Reflexión de las ondas de cuerda puedes visitar la categoría Mecánica y Ondas.