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Ola de galería susurrante

Instantánea de un modo de galería de susurros acústicos calculado a una frecuencia de 69 Hz en un cilindro de aire cerrado del mismo diámetro (33,7 m) [1] que la galería de susurros de la Catedral de San Pablo. El rojo y el azul representan presiones de aire más altas y más bajas, respectivamente, y las distorsiones en las líneas de la cuadrícula muestran los desplazamientos. En el caso de las ondas que viajan en un sentido alrededor de la galería, las partículas de aire se mueven siguiendo trayectorias elípticas. [2]

Las ondas de galería de susurros , o modos de galería de susurros , son un tipo de onda que puede viajar alrededor de una superficie cóncava. Originalmente descubiertas para las ondas sonoras en la galería susurrante de la Catedral de San Pablo , pueden existir para la luz y para otras ondas, con importantes aplicaciones en pruebas no destructivas , láser , enfriamiento y detección , así como en astronomía .

Introducción

Las ondas de la galería de susurros fueron explicadas por primera vez para el caso de la Catedral de San Pablo alrededor de 1878 [3] por Lord Rayleigh , quien revisó una idea errónea anterior [4] [5] de que los susurros se podían escuchar a través de la cúpula pero no en ninguna posición intermedia. Explicó el fenómeno de los susurros viajeros con una serie de rayos de sonido reflejados especularmente que forman cuerdas de la galería circular. Al aferrarse a las paredes, el sonido debería disminuir en intensidad sólo como la inversa de la distancia, en lugar del cuadrado inverso como en el caso de una fuente puntual de sonido que irradia en todas direcciones. Esto explica que los susurros sean audibles en toda la galería.

Rayleigh desarrolló teorías ondulatorias para St Paul's en 1910 [6] y 1914. [7] El ajuste de ondas sonoras dentro de una cavidad implica la física de la resonancia basada en la interferencia de ondas ; el sonido sólo puede existir en ciertos tonos, como en el caso de los tubos de órgano . El sonido forma patrones llamados modos , como se muestra en el diagrama. [1]

Se ha demostrado que muchos otros monumentos [8] exhiben ondas de galería susurrantes, como el Gol Gumbaz en Bijapur y el Templo del Cielo en Beijing.

En la definición estricta de ondas de galería susurrante, no pueden existir cuando la superficie guía se vuelve recta. [9] Matemáticamente esto corresponde al límite de un radio de curvatura infinito. Las ondas susurrantes de la galería se guían por el efecto de la curvatura de la pared.

ondas acusticas

Las ondas de galería susurrantes para el sonido existen en una amplia variedad de sistemas. Los ejemplos incluyen las vibraciones de toda la Tierra [10] o las estrellas . [11]

Estas ondas acústicas de galería de susurros se pueden utilizar en ensayos no destructivos en forma de ondas que se arrastran alrededor de agujeros llenos de líquido, [12] . También se han detectado en cilindros sólidos [13] y esferas, [14] con aplicaciones en detección , y se han visualizado en movimiento en discos microscópicos. [2] [15]

Las ondas de galería susurrantes se conducen de forma más eficaz en esferas que en cilindros, ya que de este modo se compensan completamente los efectos de la difracción acústica (propagación lateral de las ondas). [dieciséis]

Ondas electromagnéticas

Modos ópticos de galería de susurros en una esfera de vidrio de 300 μm de diámetro obtenidos experimentalmente con una técnica de fluorescencia . La punta de una fibra óptica cortada en ángulo , visible a la derecha, excita los modos en la región roja del espectro óptico. [17]

Las ondas de galería susurrantes existen para las ondas de luz. [18] [19] [20] Se han producido en esferas de vidrio microscópicas o tori, [21] [22] por ejemplo, con aplicaciones en láser , [23] enfriamiento optomecánico , [24] generación de peine de frecuencia [25] y detección óptica . [26] Las ondas luminosas son guiadas casi perfectamente por la reflexión interna total , lo que permite alcanzar factores Q superiores a 10 10 . [27] Esto es mucho mayor que los mejores valores, alrededor de 10 4 , que se pueden obtener de manera similar en acústica. [28] Los modos ópticos en un resonador de galería susurrante tienen inherentemente pérdidas debido a un mecanismo similar al túnel cuántico . Como resultado, la luz dentro de una galería susurrante experimenta cierto grado de pérdida de radiación incluso en condiciones teóricamente ideales. Este canal de pérdida se conoce a partir de investigaciones sobre la teoría de guías de ondas ópticas y en el campo de la fibra óptica se denomina atenuación de rayos de túnel [29] . El factor Q es proporcional al tiempo de caída de las ondas, que a su vez es inversamente proporcional tanto a la tasa de dispersión superficial como a la absorción de las ondas en el medio que constituye la galería. En galerías caóticas [30] [31] cuyas secciones transversales se desvían del círculo se han estudiado las ondas luminosas de galería susurrante . Y esas ondas se han utilizado en aplicaciones de información cuántica . [32]

Las ondas de galería de susurros también se han demostrado para otras ondas electromagnéticas como las ondas de radio , [33] microondas , [34] radiación de terahercios , [35] radiación infrarroja , [36] ondas ultravioleta [37] y rayos X. [38] Más recientemente, con el rápido desarrollo de las tecnologías de microfluidos, han surgido muchos sensores integrados en modo galería de susurros, combinando la portabilidad de los dispositivos de laboratorio en chip y la alta sensibilidad de los resonadores en modo galería de susurros. [39] [40] Las capacidades de manejo eficiente de muestras y detección de analitos multiplexados que ofrecen estos sistemas han dado lugar a muchas aplicaciones de detección biológica y química, especialmente para la detección de partículas individuales o biomoléculas. [41] [42]

Otros sistemas

Se han observado ondas de galería susurrantes en forma de ondas de materia para neutrones , [43] y electrones, [44] y se han propuesto como explicación de las vibraciones de un solo núcleo . [45] También se han observado ondas de galería susurrantes en las vibraciones de películas de jabón, así como en las vibraciones de placas delgadas. [46] También existen analogías de ondas de galería susurrantes para las ondas gravitacionales en el horizonte de sucesos de los agujeros negros . [1] Se ha demostrado un híbrido de ondas de luz y electrones , conocido como plasmones de superficie, en forma de ondas de galería de susurros, [47] y lo mismo para excitones - polaritones en semiconductores . [48] ​​También se han creado galerías que contienen simultáneamente ondas de galería de susurros acústicas y ópticas, [49] que exhiben un acoplamiento de modos muy fuerte y efectos coherentes. [50] También se han observado estructuras híbridas de galería susurrante sólida, fluida y óptica. [51]

Ver también

Referencias

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