Probablemente todos tenemos una imagen mental de una onda que se propaga en dos dimensiones. La onda generada por la piedra que cae en un estanque puede ser de gran ayuda para nuestra explicación. Podemos ver claramente como se forman una serie de circunferencias concéntricas en torno al foco. Dichas circunferencias constituyen un frente de onda.

Un frente de onda o frente de ondas se define como el lugar geométrico que une todos los puntos que, en un instante dado, se encuentran en idéntico estado de vibración, es decir, tienen igual fase.

Frentes de onda en un estanque

Piedra en un estanque

Los círculos concéntricos de la onda generada al dejar caer una piedra en un estanque constituyen distintos frentes de onda. En este caso concreto los frentes son circulares. Para cada onda existen infinitos frentes de ondas, cada uno asociado a una distancia al foco.

Observa que todos aquellos puntos que hayan sido alcanzados por la perturbación en un mismo instante forman un frente de onda. Así mismo, podemos decir que la onda alcanza un punto cuando lo hace su frente de ondas mayor (aquel que está más alejado del foco).

Forma de los frentes de onda

La forma del frente de ondas es muy importante para estudiar la energía que propaga una onda ya que es la energía que tiene el foco la que se va distribuyendo a lo largo de todo el frente a medida que avanza el movimiento ondulatorio. Esta forma depende del número de dimensiones en que se esté propagando la onda y también de las características del medio de propagación. Estudiaremos los medios que son:

  • Homogéneos: Se dice que un medio es homogéneo cuando sus propiedades físicas y químicas son idénticas en todos sus puntos. Por ejemplo una disolución de sal en agua es un medio homogéneo. La atmósfera no lo es (porque varía su densidad según la altura)
  • Isótropos: Son aquellos medios en los que las direcciones de propagación son equivalentes o, dicho de otro modo, las propiedades físicas del material en su conjunto no dependen de las direcciones consideradas. Son isótropos por ejemplo la disolución de sal y agua del ejemplo anterior pero no lo es un cristal de calcita (que sin embargo, si es homogéneo)

Las ondas se propagan con velocidad constante en los medios homogéneos e independientemente de su dirección en los isótropos. Nos centraremos en los medios homogéneos e isótropos para presentar algunos frentes de onda característicos.

Frente de ondas unidimensionales

Cuando la onda generada por un foco puntual se propaga en una sola dimensión, como por ejemplo una cuerda vibrando transversalmente, el frente de ondas es un único punto.

Frentes de onda en la onda generada en una cuerda

Onda creada al agitar una cuerda

En el caso de la figura la onda se propaga en una sola dimensión lo que implica que sus frentes de onda sean simples puntos

Frentes de ondas bidimensionales

En el caso de que la onda generada por un foco puntual se propague en un plano, como por ejemplo la onda que genera una piedra que cae en un estanque, el frente de ondas es circular, con centro en el foco de la onda.

Onda que se genera al dejar caer una piedra en un estanque

Las ondas que se propagan en dos dimensiones tienen frentes de ondas con forma de circunferencias concéntricas.

Frentes de ondas tridimensionales 

En el caso de que la onda generada por un foco puntual se propague en todo el espacio, como por ejemplo el sonido, el frente de ondas es una superficie esférica, con centro en el foco de la onda.

Frentes de onda esféricas

Ondas en tres dimensiones

En el caso de las ondas que se propagan en tres dimensiones sus frentes de onda son esferas cuyo centro se sitúa precisamente en el foco de la onda.

Frentes de ondas planos

Son un tipo particular de frentes de ondas tridimensionales. En un frente de ondas plano la energía del foco se reparte en superficies planas paralelas como las de la figura inferior. Podemos considerar un frente de ondas plano cuando estudiamos una región de un frente de ondas esférico  lo suficientemente alejada del foco. Es el caso, por ejemplo, de la luz que llega a la Tierra procedente del Sol.

frente de onda plana a partir de un frente de onda esférico

Ondas planas

Si consideramos una onda esférica en la que los frentes de onda están lo suficientemente alejados del foco, estos serán casi paralelos entre sí, por lo que las superficies esféricas pueden considerarse planas.

Frentes de onda cilíndricos

Otro tipo de frentes de onda tridimensionales que podemos destacar son aquellos en los que la energía se reparte en superficies cilíndricas. Se pueden generar a partir de un foco con forma de varilla, en lugar del foco puntual que genera ondas esféricas.

frente de onda cilíndrica

Frentes de onda cilíndricas

Cuando tenemos una varilla como foco, los frentes de onda generados son, aproximadamente, cilindros concéntricos.

Rayos

Cuando se trata de representar la propagación de una onda es habitual encontrar, junto a los frentes de onda, rayos.

Los rayos son líneas rectas que indican, mediante una flecha, la dirección y sentido de propagación de la onda. Son perpendiculares a los frentes de onda en cada uno de sus puntos.

rayos en los frentes de onda esféricos y planos

Rayos y frentes de onda

Los rayos de la onda circular de la figura izquierda, en rojo, son perpendiculares a los frentes de onda en cada uno de sus puntos. La dirección de la línea indica la dirección de propagación de la onda en ese punto y la flecha indica el sentido. Cuando los frentes de onda son planos, como en la figura derecha, los rayos sin paralelos.

Los rayos son particularmente útiles para estudiar determinados fenómenos como la reflexión y refracción.

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