El hombre siempre está expuesto a fenómenos energéticos reflejados en formas lumínicas (como la luz del sol, la luz de las luminarias), térmicas (flamas, superficies calientes y frías) y sonoras (música, ruido). Estas formas de energía se caracterizan por tener un comportamiento ondulatorio y tienen diferentes orígenes físicos (mecánicos y electromagnéticos).
Comprender los principios del comportamiento de la luz, el calor y el sonido permite al diseñador aprovechar o, bien, redirigir, dichas formas de energía para proveer el confort al usuario del espacio (o del objeto, en su caso) a través de propuestas originales.
El calor, la luz y el sonido tienen un comportamiento ondulatorio, lo que les confiere propiedades únicas que les permiten propagarse en un espacio u objeto de manera particular. Generalmente, su propagación considera fenómenos de reflexión, refracción, emisión, absorción y transmisión de esas ondas.
Este tema te será de utilidad para comprender cómo la energía en forma de calor, luz y sonido interactúa con la materia, y así podrás aplicar estos conocimientos en el diseño de estrategias y tecnologías de iluminación natural y artificial, calefacción y refrigeración, y de sonido, dentro del entorno habitable del hombre.
Propagación de ondas
El diseño, más que un arte exclusivamente, es una combinación interdisciplinaria entre elementos artísticos y el análisis de interacciones físicas entre el usuario del espacio (u objeto), el espacio (u objeto) y el ambiente exterior que los rodea. En principio, los tres elementos mencionados generan un sistema físico en el que existen intercambios de energía y materia entre estos (recordando que la masa y la energía no pueden ser creadas ni destruidas, pero pueden ser transformadas y redirigidas). El mejor diseño, en este contexto, es aquel que logra aprovechar las interacciones entre materia y energía entre el espacio (u objeto), el usuario y el ambiente exterior que los rodea.
La energía es inmaterial (no tiene masa) y presenta la capacidad de realizar un trabajo; se le mide en cantidades cuyas unidades son el Joule (J) o la caloría (Cal). La partícula elemental de la energía electromagnética es el fotón. Existen diversas formas de energía en la naturaleza; las formas de energía relacionas directamente con el confort térmico, el confort visual, el confort psicofisiológico, y el confort acústico, son el calor, la luz y el sonido.
Revisa los tipos de energía que existen en la naturaleza
Transmisión de la energía electromagnética como ondas tanto en el vacío como en medios materiales
El sonido se transmite como ondas en medios materiales; por tanto, el sonido no puede transmitirse en el vacío
El calor se transmite como energía mecánica en donde las moléculas y átomos de la materia van cambiando de intensidad con la que rotan y vibran
La luz y el sonido presentan un comportamiento ondulatorio y se propagan en ondas (propagación ondulatoria); el calor se propaga en la materia conforme va provocando que las moléculas y átomos de las materias vibren y roten (propagación cinética).
La energía se puede propagar de forma ondulatoria. El fenómeno ondulatorio es uno de los conceptos más básicos en relación con la propagación de ciertas formas de energía. El sonido, la luz, las ondas de radio, los terremotos, etc., se propagan en forma de ondas. El movimiento ondulatorio es la propagación de una onda por un medio material (como la del sonido y la energía electromagnética) o en el vacío (como la energía electromagnética). Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio; por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia.
Revisa las características de las ondas, presionando los círculos azules.
Factores y dimensiones de la sostenibilidad [Elaboración propia a partir de Heinrichs, Martens, Michelsen, y Wiek (2016)]
La longitud y amplitud de la onda están relacionadas con la cantidad de energía que las genera: el fotón o la fuerza mecánica. La longitud de la onda es inversamente proporcional a la cantidad de la energía, es decir, a mayor longitud de onda, menor contenido energético de ésta y a menor longitud de la onda, mayor contenido energético de ésta.
Como se mencionó anteriormente, la frecuencia es el número de veces que se repite el ciclo de una onda por unidad de tiempo (como el segundo). La frecuencia está directamente relacionada con la longitud de la onda: a menor longitud de la onda, mayor cantidad de ciclos cabrán en una unidad de tiempo (como, por ejemplo, un segundo); a mayor longitud de la onda, menor cantidad de ciclos cabrán en una unidad de tiempo (ver la siguiente imagen). Por lo tanto, las ondas de menor frecuencia son las ondas menos energéticas (ver la siguiente imagen) y las de mayor frecuencia son las más energéticas.
Frecuencia y contenido energético de una onda
El sonido se produce a partir de una fuerza mecánica que hace que la materia se comprima y descomprima de forma cíclica. El sonido se propaga en un medio material; no puede propagarse en el vacío, ya que es la compresión y descompresión de la materia lo que nuestro cerebro traduce como sonido. Esta compresión y descompresión se va propagando por la materia hasta llegar a nuestro tímpano.
Las ondas mecánicas se originan cuando un cuerpo comienza a vibrar, comprimiendo y descomprimiendo la materia a su alrededor. La amplitud de las ondas mecánicas es traducida por el cerebro como la intensidad del sonido; la frecuencia de las ondas, como sonidos graves o agudos: a altas frecuencias (longitudes de ondas menores), los sonidos son más agudos; a bajas frecuencias (longitudes de ondas mayores), los sonidos son más graves (ver la siguiente imagen).
Propagación ondulatoria del sonido
La fuente principal de radiación electromagnética en nuestro Sistema Solar es el sol. En nuestro planeta existen otras fuentes secundarias de radiación electromagnética: lámparas, radiadores, chimeneas, fogatas, etcétera.
La radiación solar y la luz proveniente de cualquier fuente son ejemplos de ondas electromagnéticas. Este tipo de ondas presentan cualidades muy especiales que han sido determinantes en el desarrollo de los seres vivos en el planeta. La radiación electromagnética puede propagarse tanto en un medio material como en el vacío; la velocidad de propagación es la velocidad de la luz, c. En el caso de las ondas electromagnéticas la frecuencia, f, se denomina por la letra griega, ν. Por lo tanto la relación frecuencia, ν, con la longitud de onda, λ, es determinado por la ecuación (1):
(Ecuación 1)
despejando λ, se tiene la siguiente relación:
(Ecuación 2)
La ecuación (2) muestra que la longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia.
En la Física Cuántica existe un principio que establece que a una onda electromagnética se le asocia una partícula y que a una partícula se le asocia una onda. A este hecho se le llama dualidad onda-partícula. La partícula asociada a las ondas electromagnéticas es el fotón que puede entenderse como un “paquetito” de energía. Esta partícula viaja en línea recta en la dirección del rayo electromagnético y tiene una energía asociada dada por la siguiente ecuación:
(Ecuación 3)
donde:
h es la constante de Planck
La radiación electromagnética se compone de dos ondas: una eléctrica y una magnética (ver la siguiente imagen) perpendiculares entre sí.
Campos eléctricos y magnéticos de la radiación electromagnética
En el Universo, existen diferentes formas de radiación electromagnética y se han clasificado con base en las longitudes de sus ondas y, por tanto, en su contenido energético. Algunos ejemplos de éstas son la radiación gamma, la radiación X, radiación ultravioleta (UV), la radiación visible (luz) y radiación infrarroja (IR) (ver la siguiente imagen).
Espectro de radiación electromagnética en el universo
El sol radia principalmente radiación electromagnética ultravioleta, visible e infrarroja y sus longitudes de onda se miden a una escala nanométrica (ver la siguiente ilustración). Un nanómetro (nm) mide 10-9 metros, es decir .000000001 metros.
Espectro de radiación electromagnética del sol
Espectro de la radiación electromagnética solar
Para conocer más sobre los tres tipos de radiación que conforman principalmente el espectro solar, pulsa sobre cada uno de los temas.
Las longitudes de las ondas de la radiación electromagnética ultravioleta provenientes del sol miden aproximadamente desde 100 nm hasta 400 nm. Esta radiación no puede ser sensada por el ojo (no es visible), pero sí por la piel en forma de una sensación de quemazón. Este tipo de radiación es la más energética de las radiadas por el sol y destruye paredes celulares y modifica las estructuras moleculares de la materia. Por esta razón se utiliza en diversos procesos biológicos (como la síntesis de vitaminas y producción de energía) o procesos para desinfección.
Las longitudes de las ondas de la radiación electromagnética visible miden aproximadamente desde 400 nm hasta 700 nm. Esta radiación es percibida por el ojo; por esta razón, se le nombra “visible” y también la llamamos “luz”. La longitud de la onda de la luz es traducida por el cerebro como color; su amplitud, como intensidad.
Las longitudes de las ondas de la radiación electromagnética ultravioleta miden aproximadamente desde los 700 nm hasta 3000 nm. Esta radiación no puede ser percibida por el ojo (no es visible), pero sí por la piel en forma de calor. Este tipo de radiación es la menos energética de las radiadas por el sol. No destruye paredes celulares y no modifica las estructuras moleculares de la materia, pero sí las hace rotar y vibrar y es la que calienta a la materia.
Calor es la energía cinética presente, en forma de rotación o vibración, de las partículas elementales de los cuerpos materiales, es decir, de los átomos y moléculas (ver GIF). La radiación electromagnética infrarroja, y parte de la visible, es la que más hace rotar y vibrar a las moléculas y átomos (ver la siguiente ilustración). La temperatura es la medida de la magnitud de esta energía cinética en las moléculas y los átomos; es decir, es la medida de la magnitud de la cantidad de calor presente en la materia. Existen diferentes escalas para la medición de temperatura, como Fahrenheit, Celsius y Kelvin.
Estado de vibración y rotación de átomos y/o moléculas
El calor (energía térmica) puede denominarse como sensible o latente según el proceso físico que se esté dando en cierto momento. Estos procesos físicos son a) rotación y vibración de moléculas o átomos, o 2) cambios en la estructura física de la materia (rompimiento de enlaces atómicos).
a) Calor sensible
Es el calor absorbido por un cuerpo material aumentando la vibración y rotación de sus moléculas o átomos (aumento de temperatura) o cedido por un cuerpo disminuyendo la vibración y rotación de sus moléculas o átomos (disminución de temperatura) sin modificar su estructura física (sin cambio de estado).
b) Calor latente o de transformación
Es el calor absorbido o cedido por un cuerpo para cambiar de estado, es decir, modificar su estructura física (rompimiento o creación de enlaces atómicos). La materia puede estar en estado sólido, líquido y gaseoso (ver la siguiente ilustración).
Estados de la materia y representación de sus moléculas
La materia está formada por partículas elementales llamadas átomos (ver ilustración anterior). Estos átomos se unen (forman enlaces) para formar moléculas (ver siguiente ilustración).
Átomos por separado y átomos enlazados formando una molécula
Cuando la materia cambia de un estado a otro, estos enlaces se rompen o se forman (según el caso). Los cambios de estado de la materia son fusión (rompimiento de enlaces), solidificación (formación de enlace), evaporación (rompimiento de enlaces), condensación (formación de enlaces), etc. (ver la siguiente ilustración). Por tanto, existe calor latente de fusión, calor latente de evaporación, etcétera.
Cambios de estados de la materia
Ahora que ya estás familiarizado con conceptos básicos sobre la propagación de energía por distintos medios materiales es necesario que pongas en práctica lo aprendido.
Has repasado varios conceptos básicos relacionados con la física de la propagación de la luz, el calor y el sonido, los cuales son muy importantes para el buen diseño de espacios térmica, lumínica y acústicamente confortables y saludables. Por tanto, es importante que puedas identificar estos conceptos.
Fuentes de información
Di Laura, D., Houser, K., Mistrick, R. y Steffy, G. (2011). The Lighting Handbook. Nueva York: Illuminating Engineering Society.
Pinterić, M. (2017). Building Physics. From Physical Principles to International Standards. Alemania Springer..
Rolle, K. C. (2006). Termodinámica. México: Pearson Education.
Young, H. y Freedman, R. (2009). Física universitaria de Sears y Zemansky (vol. 1, 12.ª ed.). México: Pearson Educación.
Cómo citar
Lira, A. (2018). Principios de propagación de luz, calor y sonido. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED-UNAM/Facultad de Arquitectura. Consultado el (fecha) de (vínculo)
