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(*)Hay una entrada magnífica relativa a este tema, de mayor nivel, en el blog de demostraciones (http://forum.lawebdefisica.com/entries/439-Principio-de-propagaci%C3%B3n-de-Huygens-Fresnel). Aquí trataremos sólo aspectos cualitativos.
Todo el mundo sabe qué es una onda: una perturbación que afecta a cierta magnitud física y que se propaga en el espacio. El ejemplo tradicional es la onda en una cuerda, donde la magnitud que se perturba es la elongación de las partículas con respecto de su posición de equilibrio, aunque esa onda también podría caracterizarse por otras magnitudes (como la tensión, por ejemplo).
Ése es un ejemplo de onda unidimensional: la posición de un punto del medio oscilante se establece mediante una sola coordenada. Sin embargo, hay muchas situaciones físicas en las que la onda se propaga en un medio que requiere de más coordenadas. En tales casos estaremos ante ondas bidimensionales o tridimensionales. Por ejemplo, la vibración en la membrana de un tambor es un ejemplo de onda bidimensional (la posición de cada punto requiere de dos coordenadas); el sonido o la luz son ondas tridimensionales, puesto que se propagan en medios tales que necesitamos de tres coordenadas para especificar las posiciones de los puntos.
Los conceptos que abordaremos aquí, relacionados con los frente de ondas, son exclusivos de ondas bidimensionales o tridimensionales.
Pensemos, por ejemplo, en la onda que se produce cuando se lanza una piedra en un estanque:
En un caso como éste nuestro cerebro visualiza inmediatamente el concepto que estamos ilustrando: reconocemos círculos concéntricos, formados, por ejemplo, por los puntos que en el instante de la fotografía estaban en una cresta, o en un valle. Tanto es así que la descripción que sin duda haremos de la imagen sería que "son ondas circulares".
Los frentes de onda son las líneas imaginarias que conectan a puntos vecinos que están en un mismo estado de vibración. En esta imagen se muestra uno de ellos:
Si en lugar de ser una situación bidimensional fuese una tridimensional tendríamos una diferencia: los frentes de onda no serían líneas, sino superficies. Por ejemplo, ésta podría ser una representación de la onda sonora causada por la explosión de una bomba de palenque (y que es el análogo tridimensional del caso anterior):
Del mismo modo que la onda en el estanque la podemos etiquetar como circular, en un caso tridimensional hablaremos de ondas planas si los frentes de onda son planos, cilíndricas si son las superficies laterales de cilindros, esféricas si son esferas, etcétera.
Por supuesto, un aspecto crucial de toda onda es que la perturbación se propaga. En otras palabras, todo el mundo sabe que la imagen de la gota que puse antes es una fotografía y que en realidad esos frentes de onda se propagan. En una entrada posterior contaré qué importante ley rige su propagación (el principio de Huygens).
Por ahora terminaré comentando que es muy habitual en la Física de las ondas recurrir a un concepto aún más abstracto que el de frente de onda, el de rayo: líneas (imaginarias) que indican la dirección (y sentido) de propagación de los frentes de onda, y que en la inmensa mayoría de los casos son perpendiculares a ellos.
Por ejemplo, aquí tenemos los rayos de la onda causada por una piedra en un estanque:
Terminaré esta entrada invitando a reflexionar sobre en qué medida la colección de rayos anterior puede representar adecuadamente a la onda que se produce en un estanque. Espero que estemos de acuerdo en que no demasiado.
Por tanto, siempre que usemos diagramas de rayos será necesario tener bien presente que se trata una simplificación, que exige a quien la vea tener en mente los frentes de onda que dicha representación omite.
