ONES SUPERFICIALS: CARACTERÍSTIQUES, TIPUS I EXEMPLES - FÍSICA - 2025

Les ones superficials són aquelles en les quals les partícules que vibren posseeixen moviment en dues dimensions, com les ones que es produeixen a l'deixar caure una pedra en un estany o en un llac.

Aquest tipus d'ona es produeix en la interfície entre dos mitjans diferents, com poden ser l'oceà i l'aire, o entre la superfície de la Terra i l'aire. Es tracta d'ones en les quals les partícules experimenten desplaçaments transversals combinats amb longitudinals, és a dir, bidimensionals.

Figura 1. Ones superficials en un estany. Font: Pixabay.

Per exemple les partícules d'aigua a la superfície oceànica -les ones- es mouen descrivint trajectòries circulars. A l'trencar les onades a la riba, predominen els desplaçaments longitudinals i per això es veu a les algues o un tros de fusta que estigui surant moure suaument d'endavant cap enrere.

Sobre la superfície de la Terra també es mouen ones de manera anàloga a les onades de la mar. Viatgen a menor velocitat que les ones que es mouen internament a través de l'volum terrestre, però són capaços de provocar ressonància en les edificacions amb més facilitat.

Ja que les ones produeixen vibracions i transporten energia, tenen efectes destructius durant els terratrèmols.

Figura 2. Ones de superfície en l'oceà. Les partícules d'aigua es mouen en sentit horari quan el moviment de l'onada és d'esquerra a dreta. En el punt més alt estan a la cresta de l'ona, mentre que el punt més baix es denomina canal. Font de la figura esquerra: F. Zapata. Font de la figura dreta: Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Edition. McGraw Hill.

Tipus d'ones superficials

Qualsevol tipus d'ona, ja sigui o no superficial, és una solució de l'equació d'ona, la qual s'aplica a gairebé qualsevol tipus de moviment ondulatori, no solament mecànic, com els exemples descrits, sinó també d'ones electromagnètiques, que són un tipus diferent d'ones, ja que són transversals.

L'equació d'ona, que s'obté considerant la segona llei de Newton s'escriu així:

En l'equació anterior, o és la funció d'ona que depèn de les tres coordenades espacials x, yiz més el temps t: u = u (x, i, z, t). A més v és la velocitat de la pertorbació. L'equació d'ona es pot plantejar en altres sistemes de coordenades depenent de la geometria requerida.

Per trobar la solució de l'equació, aquesta s'ajusta a les condicions de el problema, en les quals per exemple es delimita la geometria i s'estableixen les propietats de l'mitjà a través del qual es mou la pertorbació.

Hi ha molts tipus d'ones superficials, com ara:

-Ondas gravitacionals (gravity waves) com les ones oceàniques descrites a l'començament, en les quals la gravetat proveeix una força restauradora que permet el moviment transversal.

-El onatge superficial en un estany, aquí és la tensió superficial de l'aigua que exerceix com a força restauradora.

-Les ones elàstiques superficials que es mouen sobre la superfície de la Terra durant un terratrèmol.

-Ondas electromagnètiques, que malgrat ser transversals, poden guiar-se adequadament perquè es moguin sobre una superfície.

-Alguns tipus d'ones que es produeixen a les cordes d'una guitarra quan es premen amb força les cordes.

Ones elàstiques superficials en la superfície terrestre

Figura 3. Onda superficial a la superfície terrestre. El moviment de les partícules és una combinació de desplaçaments transversals i longitudinals. Font: Giambattista, A. 2010. Physics. 2nd. Edition. McGraw Hill.

A l'resoldre l'equació d'ona, les solucions, com hem dit, corresponen a diferents tipus d'ones. Quan la pertorbació es desplaça en un mitjà sòlid tal com l'escorça terrestre, és possible fer algunes suposicions sobre aquest que simplifiquin el procés.

Per això es considera que el mitjà és perfectament elàstic, homogeni i isotròpic, la qual cosa vol dir que les seves propietats són les mateixes sense importar la posició ni la direcció.

Amb això en ment, dues de les solucions de l'equació d'ona en un medi elàstic corresponen a ones superficials:

-Ondas de Rayleigh, nomenades així en honor a Lord Rayleigh (1842-1919), el físic britànic que les va descriure en primer lloc.

-Ondas de Love, per Augustus Love, geofísic i matemàtic britànic (1863-1940) que va desenvolupar la teoria d'aquestes ones en els seus treballs sobre l'elasticitat.

En sísmica, aquestes ones reben el nom d'ones L, per a diferenciar-les de les ones P i de les ones S, ambdues considerades ones de volum (body waves) que també són solució de l'equació d'ona amb les condicions abans descrites. Les ones P són longitudinals i les ones S són transversals.

Exemples d'ones superficials

Ones de Rayleigh

En una ona de Rayleigh, les partícules de el front d'ona vibren en el pla vertical, per tant es diu que estan polaritzades verticalment. Les partícules es mouen descrivint una el·lipse, a diferència de les ones sobre la superfície de l'oceà, el moviment és circular, segons es va dir a l'començament (encara que prop de la costa són més aviat el·líptiques).

L'eix major de l'el·lipse és vertical i l'eix menor segueix la direcció de propagació, tal com s'aprecia a la figura. Allà també s'adverteix que el moviment és retrògrad, és a dir, es realitza en sentit contrari a les agulles de el rellotge.

Figura 4. Ona de Rayleigh. Font: Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2nd. Edition. Cambridge University Press.

Una altra diferència important amb les ones d'aigua és que les ones de Rayleigh només poden propagar en mitjans sòlids, ja que hi ha una força de cisallament que no es dóna en els líquids.

L'amplitud de l'desplaçament de les partícules decreix exponencialment amb la profunditat, ja que l'ona està confinada a la superfície, encara que si es tracta d'un terratrèmol de gran intensitat, les ones poden donar-li la volta a la Terra diverses vegades abans d'esvair-se per complet.

Ones de Love

A les ones Love les partícules estan polaritzades horitzontalment i tenen una gran amplitud de moviment paral·lela a la superfície. Es mouen a una velocitat una mica menor que les ones Rayleigh, encara que la velocitat en aquest tipus d'ones depèn de la longitud d'ona (ona dispersiva).

Perquè aquestes ones es propaguin ha d'existir al mig una capa de baixa velocitat superposada a almenys una capa de més velocitat. A l'igual que les ones Rayleigh, les ones Love produïdes durant un terratrèmol poden donar-li diverses vegades la volta a la Terra abans de dispersar la seva energia.

Figura 5. Ones de Love. Font: Wikimedia Commons. Nicoguaro

Ground roll

És freqüent trobar aquesta variant de les ones de Rayleigh, anomenada ground roll, en els registres d'exploració sísmica. Es considera soroll i cal evitar-la, perquè a causa de la seva gran amplitud, de vegades emmascara les reflexions que es busca veure.

ones oceàniques

A gran profunditat, les ones oceàniques són ones longitudinals, com les de el so. Això vol dir que la seva adreça de propagació és la mateixa que la direcció en què vibren les partícules.

No obstant això, l'ona, a prop de la superfície, té components tant longitudinals com transversals, fent que les partícules descriguin una trajectòria gairebé circular (veure figura 2 dreta).

Figura 6. Les onades de la mar són ones superficials. Font: Pixabay.

referències

1. Figueroa, D. 2005. Ones i Física Quàntica. Sèries Física per a Ciències i Enginyeria. Editat per D. Figueroa.
2. Giambattista, A. 2010. Physics. McGraw Hill.
3. Lowrie, W. 2007. Fundamentals of Geophysics. 2nd. Edition. Cambridge University Press.
4. Wikipedia. Ones de Love. Recuperat de: es.wikipedia.org.
5. Wikipedia. Ones Rayleigh. Recuperat de: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Surface waves. Recuperat de: en.wikipedia.org.