Las ondas longitudinales son ondas en las que la vibración del medio es paralela a la dirección en que viaja la onda y el desplazamiento del medio es en la misma (o opuesta) dirección de propagación de la onda . Las ondas longitudinales mecánicas también se denominan ondas compresionales o de compresión , porque producen compresión y rarefacción al viajar a través de un medio, y ondas de presión , porque producen aumentos y disminuciones de presión . Una buena visualización es una onda a lo largo de un juguete Slinky estirado , donde la distancia entre las bobinas aumenta y disminuye. Los ejemplos del mundo real incluyen ondas sonoras ( vibraciones de presión, una partícula de desplazamiento y velocidad de una partícula propagada en un medio elástico ) y ondas P sísmicas (creadas por terremotos y explosiones).
El otro tipo principal de onda es la onda transversal , en la que los desplazamientos del medio son perpendiculares a la dirección de propagación. Las ondas transversales, por ejemplo, describen algunas ondas sonoras masivas en materiales sólidos (pero no en fluidos ); estas también se denominan " ondas de corte " para diferenciarlas de las ondas de presión (longitudinales) que también soportan estos materiales.
Algunos autores han abreviado las "ondas longitudinales" y las "ondas transversales" como "ondas L" y "ondas T", respectivamente, para su propia conveniencia. [1] Si bien estas dos abreviaturas tienen significados específicos en sismología (onda L para onda de Love [2] u onda larga [3] ) y electrocardiografía (ver onda T ), algunos autores optaron por utilizar "ondas L" (minúsculas). L') y "ondas t", aunque no se encuentran comúnmente en escritos de física, excepto en algunos libros de divulgación científica. [4]
Para ondas sonoras armónicas longitudinales, la frecuencia y la longitud de onda se pueden describir mediante la fórmula
dónde:
La cantidad x / c es el tiempo que tarda la onda en recorrer la distancia x .
La frecuencia ordinaria ( f ) de la onda viene dada por
La longitud de onda se puede calcular como la relación entre la velocidad de una onda y la frecuencia ordinaria.
Para las ondas sonoras, la amplitud de la onda es la diferencia entre la presión del aire no perturbado y la presión máxima causada por la onda.
La velocidad de propagación del sonido depende del tipo, temperatura y composición del medio a través del cual se propaga.
Para sólidos y líquidos isotrópicos , la velocidad de una onda longitudinal se puede describir mediante
dónde
La atenuación de una onda en un medio describe la pérdida de energía que transporta una onda a medida que se propaga por el medio. [5] Esto es causado por la dispersión de la onda en las interfaces, la pérdida de energía debido a la fricción entre moléculas o la divergencia geométrica. [5] El estudio de la atenuación de ondas elásticas en materiales ha aumentado en los últimos años, particularmente dentro del estudio de materiales policristalinos, donde los investigadores pretenden "evaluar de forma no destructiva el grado de daño de los componentes de ingeniería" y "desarrollar procedimientos mejorados para caracterizar microestructuras". según un equipo de investigación dirigido por R. Bruce Thompson en una publicación de Wave Motion . [6]
En materiales viscoelásticos , los coeficientes de atenuación por longitud alfa para ondas longitudinales y para ondas transversales deben satisfacer la siguiente relación:
donde y son las velocidades de onda transversal y longitudinal respectivamente. [7]
Los materiales policristalinos están formados por varios granos de cristal que forman el material a granel. Debido a la diferencia en la estructura cristalina y las propiedades de estos granos, cuando una onda que se propaga a través de un policristal cruza un límite de grano, se produce un evento de dispersión que causa una atenuación de la onda basada en la dispersión. [8] Además, se ha demostrado que la regla de proporción para materiales viscoelásticos,
se aplica igualmente con éxito a materiales policristalinos. [8]
Una predicción actual para modelar la atenuación de ondas en materiales policristalinos con granos alargados es el modelo de aproximación de segundo orden (SOA), que tiene en cuenta el segundo orden de falta de homogeneidad, lo que permite considerar la dispersión múltiple en el sistema cristalino. [9] [10] Este modelo predice que la forma de los granos en un policristal tiene poco efecto sobre la atenuación. [9]
Las ecuaciones para el sonido en un fluido dadas anteriormente también se aplican a las ondas acústicas en un sólido elástico. Aunque los sólidos también soportan ondas transversales (conocidas como ondas S en sismología ), las ondas sonoras longitudinales en el sólido existen con una velocidad e impedancia de onda que dependen de la densidad del material y su rigidez , la última de las cuales se describe (como ocurre con el sonido en un gas) por el módulo de volumen del material . [11]
En mayo de 2022, la NASA informó sobre la sonificación (conversión de datos astronómicos asociados con ondas de presión en sonido ) del agujero negro en el centro del cúmulo de galaxias de Perseo . [12] [13]
Las ecuaciones de Maxwell conducen a la predicción de ondas electromagnéticas en el vacío, que son ondas estrictamente transversales ; Debido a que necesitarían partículas para vibrar, los campos eléctrico y magnético que componen la onda son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. [14] Sin embargo, las ondas de plasma son longitudinales, ya que no son ondas electromagnéticas sino ondas de densidad de partículas cargadas, pero que pueden acoplarse al campo electromagnético. [14] [15] [16]
Después de los intentos de Heaviside de generalizar las ecuaciones de Maxwell , Heaviside concluyó que las ondas electromagnéticas no se podían encontrar como ondas longitudinales en el " espacio libre " o en medios homogéneos. [17] Las ecuaciones de Maxwell, tal como las entendemos ahora, mantienen esa conclusión: en el espacio libre u otros dieléctricos isotrópicos uniformes, las ondas electromagnéticas son estrictamente transversales. Sin embargo, las ondas electromagnéticas pueden mostrar un componente longitudinal en los campos eléctricos y/o magnéticos cuando atraviesan materiales birrefringentes o materiales no homogéneos, especialmente en las interfaces (ondas superficiales, por ejemplo), como las ondas de Zenneck . [18]
En el desarrollo de la física moderna, Alexandru Proca (1897-1955) fue conocido por desarrollar ecuaciones de campo cuánticas relativistas que llevan su nombre (ecuaciones de Proca) que se aplican a los mesones vectoriales masivos spin-1. En las últimas décadas, algunos otros teóricos, como Jean-Pierre Vigier y Bo Lehnert de la Sociedad Real Sueca, han utilizado la ecuación de Proca en un intento de demostrar la masa del fotón [19] como un componente electromagnético longitudinal de las ecuaciones de Maxwell, sugiriendo que la masa electromagnética longitudinal Las ondas podrían existir en un vacío polarizado de Dirac. Sin embargo, casi todos los físicos dudan fuertemente de la masa en reposo del fotón y es incompatible con el modelo estándar de la física. [ cita necesaria ]
