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28 de diciembre de 2015
LAS ONDAS Y SU RELACIÓN CON LAS TELECOMUNICACIONES


El objetivo de este artículo es describir desde una perspectiva física el concepto de onda, y explicar las relaciones que tiene esta con las telecomunicaciones, fundamentalmente inalámbricas. Para ello, se explicará lo siguiente: Concepto, Clasificaciones, Parámetros y Comportamiento.


Una onda es una propagación de una perturbación  desde un punto inicial en el espacio hasta un punto final. Generalmente, estas perturbaciones corresponden a vibraciones de partículas, como las ondas que se generan cuando se lanza una piedra sobre el agua. Las ondas son, por tanto, propagaciones de perturbaciones mediante las cuales existe el transporte de energía, pero no de materia. Como veremos más adelante, el medio por el que se propague puede ser también inmaterial ( el vacío ), lo que permitirá el concepto de comunicación inalámbrica, que consiste en el envío de información desde un punto hasta otro, mediante ondas electromagnéticas, sin hacer uso de un medio material.



Podemos clasificar las ondas según el medio por el cual se propaguen, la forma que adopten las ondas cuando se propaguen, o bien según la dirección en la que se propaguen. Además estas pueden ser clasificadas según su periodicidad. Según el medio, distinguimos dos tipos de ondas: Mecánicas y electromagnéticas. Las ondas mecánicas necesitan un medio material y elástico ( que no sea rígido, ya que se necesita la vibración de las partículas ), como el medio líquido, gaseoso y sólido. Las ondas en el agua son mecánicas, ya que existe un medio material sobre el que se propaga la onda. Las partículas de los medios materiales donde se produce la propagación de la onda realizan oscilaciones alrededor de un punto fijo, por lo que no podemos afirmar que exista un transporte de materia, pero si de energía. Otro ejemplo de onda mecánica es el sonido, que no se propaga en medios inmateriales como el vacio. Es más, el sonido se propaga mejor en medios con una mayor cercanía de sus partículas, como son los sólidos. Una onda electromagnética es aquella onda que no necesita un medio material para propagarse, a pesar de que podrían propagarse a través de un medio material ( como la luz, que se propagan en el vacío, pero también en el aire gaseoso, el en agua líquida y a través de ciertos sólidos, pero en estos últimos a menor velocidad ). Esto permite, como se ha mencionado anteriormente, que puedan mandarse ondas electromagnéticas entre diferentes satélites en el espacio, siendo así las ondas electromagnéticas esenciales en las telecomunicaciones.

                                                   
Según su forma, encontramos dos modelos de onda: Transversal y longitudinal. En las ondas longitudinales las partículas vibran perpendicularmente a la dirección de la onda, es decir, la onda avanza en el eje x mientras que la vibración de las partículas lo hace en el eje Y. Por el contrario, en las ondas longitudinales la dirección de la vibración de las partículas y la dirección de propagación de la onda coinciden. Un ejemplo de onda longitudinal es un muelle que se contrae, o el sonido, mientras que un ejemplo de onda transversal es la luz o las olas en el agua.



Según la dirección en la que se propaguen las ondas estas son: Unidimensionales, Bidimensionales ( superficiales ) o Tridimensionales ( esféricas ). Las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan solo en una dimensión ( como un muelle ). Las ondas bidimensionales se propagan en dos dimensiones, es decir, se propagan a lo largo de planos o superficies, y es por eso que reciben el nombre de superficiales. Las ondas generadas por una piedra en la superficie del agua se consideran ondas superficiales. Las ondas tridimensionales, es decir, se propagan en un eje x,y,z.. Se denominan esféricas porque todas las ondas de este tipo se propagan en todas direcciones a partir del punto del cual se han generado. Las ondas electromagnéticas que se usan de manera fundamental en las comunicaciones son tridimensionales o esféricas, ya que estas se propagan en todas direcciones sin necesidad de estar en la misma dirección o el mismo plano. Por último, las ondas pueden ser periódicas o no periódicas: Las oscilaciones se repiten de manera constante, mientras que las no periódicas no tienen esta propiedad.




Dentro de una onda distinguimos una serie de parámetros, medidas y conceptos que nos permiten distinguirlas de otras ondas, y su relación con los distintos tipos de comunicaciones a distancias ( Bluetooth, Wifi, Radio, etc… ). Existen en una onda tres puntos o coordenadas: El Valle es el punto más bajo de una oscilación, La cresta el punto más alto de una oscilación, y los puntos análogos son puntos que están en la misma posición pero en diferentes oscilaciones. A partir de estas posiciones, determinamos otros parámetros que son distancias. La longitud de onda es la distancia entre dos puntos análogos de dos oscilaciones continuas.  La amplitud es la distancia que hay entre la cresta o el valle de una oscilación hasta la línea de equilibrio. En una onda longitudinal las crestas son compresiones, y las dilataciones corresponden a los valles. A partir de estas distancias, obtenemos una serie de parámetros, tales como: Velocidad, Periodo, Frecuencia. El periodo es igual al tiempo que tarda la onda en recorrer la longitud de onda, por tanto, este parámetro se mide con segundos. La frecuencia es el número  de veces que la onda recorre la longitud de onda por unidad de de segundo. La unidad con la que se mide la frecuencia es el S-1 , también llamado herzio.  Podemos decir que la frecuencia es el inverso del periodo, y que el periodo es el inverso de la frecuencia.  Por último, la velocidad  de una onda es el espacio que recorre en metros por cada segundo. La velocidad de una onda cambia conforme al medio en el cual se encuentre la onda  Así, la longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales.  La energía que transmiten las ondas es proporcional al cuadrado de su amplitud y al cuadrado de su frecuencia.  De esta forma, si la longitud de onda es menor, la frecuencia y la energía son mayores.



Según la frecuencia de las ondas se inventó el espectro electromagnético, que clasifica las ondas según su frecuencia en el vacío. Este espectro engloba a frecuencias muy bajas, como la radiofrecuencia, hasta las más elevadas, como los rayos gamma. Las diferentes categorías dentro del espectro son las ondas radioeléctricas ( radio, microondas, usadas en las telecomunicaciones ), los infrarrojos, la luz visible, los ultravioleta, rayos x y rayos gamma. Los rayos gamma tienen las frecuencias más altas, desde 30 * 1018 herzios. Los rayos x tienen desde 30 * 1015 herzios hasta los rayos gamma. Los ultravioleta tienen desde 7,89 * 1014 hasta los rayos x. La luz visible tiene desde 384 * 1012 herzios hasta los ultravioleta. Los infrarrojos tienen desde 300 * 109 herzios hasta la luz visible. Las ondas radioeléctricas abarcan desde los 30 * 103 herzios hasta los infrarrojos. La luz visible es una onda electromagnética, y a cada color le corresponde una frecuencia, energía y longitud de onda determinadadas. Las ondas radioeléctricas se usan en las telecomunicaciones inalámbricas, como el wifi, el bluetooth, las ondas de radio, etc… La frecuencia de cada una de estas es diferente, y el espectro es amplio, desde kilometros a centimetros como longitud de onda.

                       
                                                             
 










                                                               
Las ondas son un fenómeno físico con un comportamiento determinado. Con esto nos referimos a como se propagan y los efectos de su propagación o en su propagación. Hay una serie de fenómenos que conocemos y con los cuales explicamos lo anterior. Estos fenómenos son los siguientes: Reflexión, Refracción, Efecto Doppler, Interferencia, difracción, Polarización. La refracción es el proceso por el que una onda cambia su dirección al pasar de un medio a otro, como el sonido en el agua o el sólido o la luz al pasar por un prisma. La difracción es el proceso por el cual una onda rodea un obstáculo. La reflexión es el proceso por el cual una onda al no poder atravesar un un medio regresa al punto donde se origina. Un claro ejemplo de este fenómeno es la luz. 
El efecto Doppler es un efecto por el cual se percibe un cambio de frecuencia de una onda que se produce por el movimiento relativo de la fuente que origina esa onda y el observador, que percibe ese aparente cambio. Un claro ejemplo de esto es un coche pasando a toda velocidad al lado de un espectador, que percibe como cambia el sonido que produce el coche. La interferencia es el fenómeno físico por el cual dos ondas al encontrarse se combinan y forman una onda diferente y nueva. La polarización es el fenómeno físico por el cual  las ondas transversales hacen que sus partículas por las que vibra una onda vibren en la misma dirección, y el plano que forman la dirección de la propagación y la dirección de la vibración  se denomina plano de polarización. 
En telecomunicaciones, observamos estos efectos y estos comportamiento. Por ejemplo, las ondas usadas en telecomunicaciones pueden sufrir interferencias, cuando experimentamos que una señal que se envía a otra antena sufre interferencias porque se encuentra  con otra onda. Incluso podemos generar interferencias con un inhibidor de frecuencia ( prohibidos en España ), que es un aparato cuya función es emitir ondas radioeléctricas  para que choquen con las ondas de teléfonos móviles, o incluso, la llave a distancia de un coche ( como en algunos concesionarios o lugares públicos ). También podemos aplicar la polarización al comportamiento de ondas radioeléctricas en telecomunicaciones, como es el caso de la fibra óptica. Esta consiste en transmitir la luz mediante un vidrio que está dentro de un cable.  De esta manera, se ensanchan los pulsos ópticos para que viajen a través del vidrio con mayor velocidad y eficacia. Además, a la hora de propagar ondas radioeléctricas, existen una serie de técnicas relacionadas con la reflexión, la refracción y la difracción. Observamos la reflexión en las ondas reflejadas, que son ondas que las antenas generan, impactando contra la superficie terrestre y rebotando. La refracción la observamos en la refracción troposférica, que consiste en lanzar una onda radioeléctrica hacia una zona de aire caliente, donde modifica su trayectoria y su velocidad. Además, observamos la difracción cuando una onda modifica su trayectoria ligeramente, generalmente para rodear o pasar por encima un terreno elevado. Por último, relacionamos el Efecto Doppler con las telecomunicaciones, ya que en función de la velocidad de ambos ( emisor y receptor ) la comunicación y la frecuencia con la que se mandan las ondas pueden verse afectadas. De hecho, en la ingeniería de telecomunicaciones este es un problema que está siendo tratado. Otro  ejemplo de Efecto Doppler es el uso de radares  policiales en carreteras para determinar la velocidad que lleva un vehículo.



En mi opinión, a medida que averiguemos, investiguemos y desentreñemos los misterios de las ondas que aún están por descubrir, y a medida que sepamos descifrar mejor su comportamiento podremos aplicarlas mucho mejor a las telecomunicaciones, fundamentalmente inalámbricas, con el fin de solucionar los errores que hay aún en las telecomunicaciones. Es más, la investigación física en este campo podría llevarnos a nuevas soluciones en otros aspectos a parte de las telecomunicaciones, como nuevas aplicaciones médicas, informáticas, audiovisuales, etc… Por lo tanto, la física de las ondas fué, es y será fundamental para el desarrollo tecnológico de nuestra sociedad.


7- Bibliografía y referencias

Referencias:
Figura 3.1:
Figura 4.1:
Figura 4.2:

Bibliografía y Recursos:
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