Difracción del sonido: qué es, ejemplos, aplicaciones

La difracción es la propiedad que tienen las ondas de flexionarse en los bordes de los obstáculos o aberturas de tamaño igual o menor a su longitud de onda y continuar propagándose. Al hacerlo se distorsionan y cuánto más pequeña sea la abertura por la que pasan, mayor será esa distorsión.

Esta propiedad es fácil de comprobar mediante una cubeta de ondas, que consiste en una bandeja llena de agua y una fuente que genera las ondas colocada en un extremo. La fuente puede ser tan simple como una banda metálica vibrante.

Figura 1. Patrones de difracción en las olas. Fuente: Stiller Beobachter from Ansbach, Germany [CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)]

Al activarse la fuente se genera un frente de ondas que se desplaza en la bandeja y al que se le puede interponer un obstáculo con una abertura en el medio. Las ondas se las arreglarán para sortear la abertura y seguir su camino, pero su forma habrá cambiado según el tamaño de la rendija, para desplegarse una vez pasada esta.

En la siguiente imagen se observa el mismo frente de ondas pasando a través de dos aberturas de distinto tamaño.

Figura 2. Si la abertura es pequeña, las ondas experimentan mayor difracción. Fuente: Jimregan at en.wikibooks [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Cuando la abertura se reduce, la onda se ensancha y se curva apreciablemente. En cambio si la abertura es mayor, la deformación experimentada por la onda es mucho menor. La onda sigue avanzando, pero no se extiende o se despliega tanto.

Ejemplos

Las ondas mencionadas se han formado en el agua de una simple bandeja. A una escala mucho mayor se aprecia la difracción de las olas alrededor de las islas de la figura 1, ya que la distancia entre ellas es del orden de la longitud de onda de las mismas. Esto es clave para entender el fenómeno de la difracción.

Tal como ocurre en el océano, el sonido y la luz también experimentan difracción, aunque por supuesto la luz requiere aberturas mucho más pequeñas, ya que las longitudes de onda de la luz visible están entre 400 y 700 nanómetros o billonésimas de metro.

Por ejemplo las pequeñísimas partículas de la atmósfera actúan como obstáculos para que la luz se difracte, haciendo que se vean anillos alrededor de objetos muy luminosos como la luz y el sol.

A las ondas sonoras en cambio la difracción se les facilita, ya que su longitud de onda es del orden de los metros, así que basta con aberturas del tamaño de puertas y ventanas para que ocurra.

La difracción es una propiedad única de las ondas. Imaginemos por un momento que en vez de agua fuese un chorro de canicas lo que pasara a través de las aberturas.

El chorro de canicas va a seguir moviéndose en línea recta, en vez de dispersarse de inmediato por todo el espacio disponible, tal como lo hacen las ondas. Definitivamente las partículas materiales a nivel macroscópico no experimentan difracción, pero los electrones, aún poseyendo masa, sí que pueden hacerlo.

Por eso todo fenómeno físico que se manifieste a través de la difracción tiene que ser de tipo ondulatorio. Las otras dos propiedades características son la interferencia y la polarización, siendo la refracción y la reflexión aplicables por igual a las partículas de materia.

Apreciando la difracción del sonido

Una persona puede hablar con otra incluso si hay una habitación de por medio y podemos escuchar la música y las voces provenientes de otros lugares, ya que las longitudes de onda sonoras son de tamaño comparable o mayor a los objetos cotidianos.

Cuando se está en una habitación adyacente a otra donde suena la música, los tonos más graves se escuchan mejor. Se debe a que tienen longitudes de onda más largas que los agudos, más o menos de las dimensiones de puertas y ventanas, por lo que no tienen inconveniente en difractarse en ellas, véase la siguiente figura.

Figura 3. Para una misma abertura, las ondas cuya longitud de onda sea comparable en tamaño se difractan más. Fuente: elaboración propia.

La difracción permite también que se escuchen las voces de las personas antes de verlas y tropezarse con ellas a la vuelta de la esquina, ya que esta es el obstáculo que difracta las ondas. El sonido también se refleja bastante bien en las paredes, así que ambas propiedades se combinan para hacer que el sonido doble bastante bien las esquinas.

El sonido de los truenos en la distancia permite distinguir los lejanos de los más cercanos porque estos últimos se perciben nítidos y secos, más como chasquidos y menos retumbantes, puesto que las frecuencias altas (las de los sonidos más agudos) siguen estando presentes.

En cambio los truenos lejanos retumban y son más graves, gracias a que las frecuencias bajas con longitudes de ondas largas son capaces de evadir los obstáculos y viajar más lejos. Las componentes más agudas se pierden en el camino porque su longitud de onda es más pequeña.

Aplicaciones

Difracción de las ondas de radio

Seguramente habrá notado mientras conduce por la ciudad o por zonas montañosas que la recepción de algunas emisoras de radio se desvanece o pierde calidad para reaparecer más tarde.

Las ondas de radio pueden desplazarse por grandes distancias, pero también experimentan difracción cuando se encuentran con edificios en la ciudad u otros obstáculos como colinas y montañas.

Afortunadamente gracias a la difracción pueden salvar estos obstáculos, sobre todo si la longitud de onda es comparable al tamaño de ellos. A mayor longitud de onda, es más probable que la onda sea capaz de sortear el obstáculo y seguir su camino.

De acuerdo a la banda en que se encuentre, una emisora podrá tener mejor recepción que otra. Todo depende de la longitud de onda, la cual está relacionada con la frecuencia y la velocidad como:

c = λ.f

En esta ecuación c es la velocidad, λ es la longitud de onda y f es la frecuencia. Las ondas electromagnéticas se mueven aproximadamente a 300.000 km/s la velocidad de la luz en el vacío.

Las emisoras con mejor calidad de recepción

De modo que las emisoras en la banda AM cuyas frecuencias están en el rango de los 525-1610 kHz tienen más probabilidad de experimentar difracción que aquellas en el rango FM con 88-108 MHz.

Un cálculo sencillo con la ecuación anterior demuestra que las longitudes de onda AM están entre 186 y 571 m, mientras que para las emisoras FM, dichas longitudes están entre 2.8 y 3.4 m. Las longitudes de onda de las emisoras FM son más cercanas al tamaño de obstáculos como edificaciones y montañas.

Difracción de la luz

Cuando la luz pasa a través de una estrecha rendija, en vez de observarse al otro lado toda una región iluminada uniformemente, lo que se ve es un patrón característico compuesto de una zona central clara más ancha, flanqueada por unas bandas oscuras alternando con bandas claras más estrechas.

En el laboratorio, una hoja de afeitar de las antiguas muy bien afilada y un haz de luz monocromático proveniente de un láser permiten apreciar este patrón de difracción, el cual se puede analizar con un software de imágenes.

La luz también experimenta difracción cuando atraviesa múltiples aberturas. Un dispositivo que se utiliza para analizar el comportamiento de la luz al hacer esto es la rejilla de difracción, que consta de muchas rendijas paralelas igualmente separadas.

La rejilla de difracción se utiliza en la espectroscopia atómica para analizar la luz proveniente de los átomos, y también es la base para la creación de hologramas como los que se encuentran en las tarjetas de crédito.

Referencias

  1. Giancoli, D.  2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall. 313-314.
  2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 1. 7ma. Ed. Cengage Learning. 1077-1086.
  3. Tippens, P. 2011. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. McGraw Hill. 441-463.
  4. Wilson, J. 2011. Física 12. Pearson Educación. 250-257
  5. Wikipedia. Diffraction. Recobrado de: en.wikipedia.org.

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