¿Por qué la onda transfiere energía pero no importa?

Puede ser útil (quizás esencial) comprender un poco sobre las ondas mecánicas antes de considerar la dualidad onda-partícula del electromagnetismo, así que aceptemos centrarnos en las ondas mecánicas.

En las ondas mecánicas, cada partícula (molécula, átomo, partícula elemental, etc.) recibirá un impulso energético de las partículas cercanas más cerca de la fuente de la onda, luego se balanceará (oscilará) y luego volverá a descansar en o cerca de su posición original. Para cada partícula, esto es como una bola que rebota o un péndulo: la bola o el péndulo se desplaza (gana energía potencial) luego rebota o se balancea (la energía cambia de potencial a cinética y viceversa) perdiendo energía con cada ciclo (principalmente a través de la fricción) hasta que vuelva a descansar.

Debido a que las partículas interactúan y están unidas entre sí (por ejemplo, enlaces intermoleculares), la energía se transfiere de una partícula a otra a lo largo de la dirección de propagación de la onda. Una analogía sería una cadena de bolas atadas como una cadena de perlas; cuando se levanta una bola, deben aparecer las bolas cercanas.

En un medio inelástico (incompresible) (como el agua), el movimiento será perpendicular a la dirección de propagación de la onda: a medida que la onda se mueve hacia los lados, las moléculas de agua se mueven hacia arriba y hacia abajo. En un medio elástico (como el aire), las moléculas pueden moverse hacia adelante y hacia atrás, primero en la misma dirección que la ola y luego recuperándose en la dirección opuesta, etc., acercándose y alejándose, pero eventualmente volviendo a su posición más cercana. posición inicial.

Con respecto a su última pregunta, la “energía de perturbación” calienta las moléculas, pero no hay un desplazamiento neto promedio una vez que la ola ha pasado.

Parece que tienes dos problemas aquí:

  • La palabra “neto” vs. “acumulativo”
  • Física ideal vs física del mundo real

Primero, la palabra “neto” significa el valor al final menos el valor al principio. Ignora totalmente cualquier valor intermedio. Por ejemplo, el movimiento neto del transbordador espacial en cualquier misión fue de Florida al sur de California. El movimiento acumulativo fue bastante mayor. Si observamos una molécula individual cuando una onda pasa a través de ella, la molécula se mueve hacia adelante y luego hacia atrás, o hacia arriba y hacia abajo, o incluso en un círculo. De hecho, las moléculas se mueven a medida que pasa la onda, pero una vez que pasa la onda, la molécula vuelve a la misma posición en que comenzó. En otras palabras, no hay movimiento neto .

En segundo lugar, cuando comienzas a aprender física (o algo así), las cosas se mantienen simples para evitar abrumarse o distraerse con los detalles. En el caso de la física, esto significa ignorar o simplificar muchas cosas para desarrollar una comprensión y facilidad con los principios fundamentales y luego agregar complicaciones más adelante. (El mundo de la física introductoria es completamente inhabitable por cierto. Permaneces cerca de la superficie de la Tierra para que la gravedad sea constante pero no haya aire ni fricción).

En el caso de las olas en el mundo real, seguro, hay fricción. Algunas de las moléculas terminarán desplazadas ligeramente. Ninguna molécula individual termina exactamente en su posición inicial. Sin embargo, la fricción funciona en ambos sentidos, algunos pueden desplazarse hacia adelante, otros hacia atrás, tal vez algunos más hacia adelante que hacia atrás. Las cuerdas vibratorias dejan de vibrar; los péndulos se detienen.

Es importante comprender el movimiento de las moléculas o partes de una cuerda o lo que sea el medio de onda para comprender cómo se propaga la onda. Esto le permitirá comprender y analizar cómo se comporta la onda “ideal”. Luego puede agregar fácilmente otros efectos para obtener una mejor comprensión cualitativa de cómo se comporta el sistema físico en el mundo real. Puede pasar mucho más tiempo antes de que pueda obtener una comprensión cuantitativa de estos efectos, pero para entonces habrá aprendido mucha física.

Las ondas son la propagación de una perturbación en un medio. En el caso de ondas mecánicas, las moléculas del medio se mueven paralelas y antiparalelas a la dirección de propagación, perpendicular a la dirección de propagación, o ambas. Sin embargo, no hay desplazamiento neto del medio durante un ciclo completo. En el caso de las ondas electromagnéticas, la perturbación está en el campo electromagnético. No hay materia involucrada en una onda EM que se propaga a través del vacío.

Imagine un terremoto que tiene el epicentro en el punto A. Después de un tiempo, el terremoto golpea el punto B. Aún así, no hay evidencia de que el punto A sea transferido sobre el punto B. Como ya se mencionó, una onda es una propagación de impulso inicial a través de un medio elástico, de una molécula a otra (imagine pequeñas colisiones que transfieren la energía) o, en el caso muy complicado de las ondas electromagnéticas, el campo EM.

Otros han respondido adecuadamente, por lo que solo complementaré las explicaciones completas con una respuesta breve e intuitiva a modo de ejemplo familiar.

Las olas oceánicas no hacen que el agua se acumule en la orilla. El agua retrocede después de cada ola. El efecto neto no es movimiento.

Imaginemos una cuna de Newton como modelo de una onda de presión / longitudinal. (Este es el ejemplo más visual que se me ocurre).

Las bolas se mueven hacia adelante y atrás, la energía se transfiere a lo largo, pero la pelota en un extremo no progresa hacia el extremo opuesto. En promedio, no se mueve en absoluto. Si no se mueve, la materia no se ha transferido.

Si hablamos de ondas armónicas simples. Cada partícula ejecuta un movimiento armónico simple perpendicular a la dirección de propagación de la onda y, por lo tanto, no hay desplazamiento horizontal.

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