Frecuencia
La frecuencia es el número de ocurrencias de un evento repetitivo por unidad de tiempo. Ocasionalmente también se la denomina frecuencia temporal para enfatizar el contraste con la frecuencia espacial, y frecuencia ordinaria para enfatizar el contraste con la frecuencia angular. La frecuencia se expresa en unidades de hercios (Hz), lo que equivale a un (evento) por segundo. El período correspondiente es la duración de un ciclo en un evento repetitivo, por lo que el período es el recíproco de la frecuencia. Por ejemplo, si un corazón late a una frecuencia de 120 veces por minuto (2 hercios), su período, T—el intervalo de tiempo entre latidos— es de medio segundo (60 segundos divididos por 120 latidos). La frecuencia es un parámetro importante utilizado en ciencia e ingeniería para especificar la tasa de fenómenos oscilatorios y periódicos, como vibraciones mecánicas, señales de audio (sonido), ondas de radio y luz.
Definiciones y unidades
Para fenómenos cíclicos como oscilaciones, ondas o para ejemplos de movimiento armónico simple, el término frecuencia se define como el número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo. El símbolo convencional de frecuencia es f; también se utiliza la letra griega (nu). El período 
El término frecuencia temporal se usa para enfatizar que la frecuencia se caracteriza por el número de ocurrencias de un evento repetitivo por unidad de tiempo, y no por unidad de distancia.
La unidad de frecuencia derivada del SI es el hercio (Hz), nombrada así por el físico alemán Heinrich Hertz por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1930. Fue adoptada por la CGPM (Conférence générale des poids et mesures) en 1960, reemplazando oficialmente el nombre anterior., "ciclos por segundo" (cps). La unidad SI para el período, como para todas las medidas de tiempo, es el segundo. Una unidad de medida tradicional utilizada con dispositivos mecánicos giratorios es revoluciones por minuto, abreviado r/min o rpm. 60 rpm equivale a un hercio.
Las olas generadas por el viento se describen en términos de su período en lugar de su frecuencia.
Período versus frecuencia
Por conveniencia, las olas más largas y más lentas, como las olas de la superficie del océano, tienden a describirse por período de ola en lugar de frecuencia. Las ondas cortas y rápidas, como el audio y la radio, generalmente se describen por su frecuencia en lugar de por su período. Algunas conversiones de uso común se enumeran a continuación:
| Frecuencia | 1 mHz (10 Hz) | 1 Hz (10 Hz) | 1 kHz (10 Hz) | 1 MHz (10 Hz) | 1 GHz (10 Hz) | 1 THz (10 Hz) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Período | 1 ks (10 s) | 1 segundo (10 segundos) | 1 ms (10 s) | 1 μs (10 s) | 1 ns (10 s) | 1 ps (10 s) |
Tipos de frecuencia relacionados
- La frecuencia angular, generalmente denotada por la letra griega ω (omega), se define como la tasa de cambio del desplazamiento angular (durante la rotación), θ (theta), o la tasa de cambio de la fase de una forma de onda sinusoidal (especialmente en oscilaciones y ondas), o como la tasa de cambio del argumento a la función seno:
La frecuencia angular se mide comúnmente en radianes por segundo (rad/s) pero, para señales de tiempo discreto, también se puede expresar como radianes por intervalo de muestreo, que es una cantidad adimensional. La frecuencia angular (en rad/s) es mayor que la frecuencia ordinaria (en Hz) por un factor de 2π.
- La frecuencia espacial es análoga a la frecuencia temporal, pero el eje del tiempo se reemplaza por uno o más ejes de desplazamiento espacial, por ejemplo:
El número de onda, k, es el análogo de frecuencia espacial de la frecuencia temporal angular y se mide en radianes por metro. En el caso de más de una dimensión espacial, el número de onda es una cantidad vectorial.
En la propagación de ondas
Para ondas periódicas en medios no dispersivos (es decir, medios en los que la velocidad de la onda es independiente de la frecuencia), la frecuencia tiene una relación inversa con la longitud de onda, λ (lambda). Incluso en medios dispersivos, la frecuencia f de una onda sinusoidal es igual a la velocidad de fase v de la onda dividida por la longitud de onda λ de la onda:
En el caso especial de las ondas electromagnéticas que se mueven a través del vacío, entonces v = c, donde c es la velocidad de la luz en el vacío, y esta expresión se convierte en:
Cuando las ondas monocromáticas viajan de un medio a otro, su frecuencia permanece igual, solo cambian su longitud de onda y su velocidad.
Medición
La medición de la frecuencia se puede realizar de las siguientes formas:
Contando
El cálculo de la frecuencia de un evento repetitivo se logra contando la cantidad de veces que ese evento ocurre dentro de un período de tiempo específico y luego dividiendo el conteo por la duración del período de tiempo. Por ejemplo, si ocurren 71 eventos en 15 segundos, la frecuencia es:
Si el número de conteos no es muy grande, es más preciso medir el intervalo de tiempo para un número predeterminado de ocurrencias, en lugar del número de ocurrencias dentro de un tiempo específico. El último método introduce un error aleatorio en el conteo de entre cero y un conteo, por lo que en promedio es medio conteo. Esto se denomina error de activación y provoca un error promedio en la frecuencia calculada de 
Estroboscopio
Un método antiguo para medir la frecuencia de objetos que giran o vibran es usar un estroboscopio. Se trata de una luz intermitente intensa y repetitiva (luz estroboscópica) cuya frecuencia se puede ajustar con un circuito de temporización calibrado. La luz estroboscópica apunta al objeto giratorio y la frecuencia se ajusta hacia arriba y hacia abajo. Cuando la frecuencia de la luz estroboscópica es igual a la frecuencia del objeto que gira o vibra, el objeto completa un ciclo de oscilación y vuelve a su posición original entre los destellos de luz, por lo que cuando es iluminado por la luz estroboscópica, el objeto parece estacionario. Luego, la frecuencia se puede leer en la lectura calibrada del estroboscopio. Una desventaja de este método es que un objeto que gira a un múltiplo entero de la frecuencia estroboscópica también parecerá estacionario.
Contador de frecuencias
Las frecuencias más altas generalmente se miden con un contador de frecuencia. Este es un instrumento electrónico que mide la frecuencia de una señal electrónica repetitiva aplicada y muestra el resultado en hercios en una pantalla digital. Utiliza lógica digital para contar el número de ciclos durante un intervalo de tiempo establecido por una base de tiempo de precisión de cuarzo. Los procesos cíclicos que no son eléctricos, como la velocidad de rotación de un eje, las vibraciones mecánicas o las ondas sonoras, pueden convertirse en una señal electrónica repetitiva mediante transductores y la señal aplicada a un contador de frecuencia. A partir de 2018, los contadores de frecuencia pueden cubrir el rango hasta aproximadamente 100 GHz. Esto representa el límite de los métodos de conteo directo; las frecuencias por encima de esto deben medirse por métodos indirectos.
Métodos heterodinos
Por encima del rango de los contadores de frecuencia, las frecuencias de las señales electromagnéticas a menudo se miden indirectamente utilizando heterodino (conversión de frecuencia). Una señal de referencia de una frecuencia conocida cerca de la frecuencia desconocida se mezcla con la frecuencia desconocida en un dispositivo de mezcla no lineal como un diodo. Esto crea una señal heterodina o de "golpe" en la diferencia entre las dos frecuencias. Si las dos señales tienen una frecuencia cercana, el heterodino es lo suficientemente bajo como para ser medido por un contador de frecuencia. Este proceso solo mide la diferencia entre la frecuencia desconocida y la frecuencia de referencia. Para alcanzar frecuencias más altas, se pueden utilizar varias etapas de heterodino. La investigación actual está extendiendo este método a frecuencias infrarrojas y de luz (detección heterodina óptica).
Ejemplos
Luz
La luz visible es una onda electromagnética, que consiste en campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan a través del espacio. La frecuencia de la onda determina su color: 400 THz (4 × 10 Hz) es luz roja, 800 THz (8 × 10 Hz) es la luz violeta, y entre estos (en el rango de 400 a 800 THz) están todos los demás colores del espectro visible. Una onda electromagnética con una frecuencia menor que4 × 10 Hz serán invisibles para el ojo humano; tales ondas se denominan radiación infrarroja (IR). A una frecuencia aún más baja, la onda se llama microondas, y a frecuencias aún más bajas se llama onda de radio. Asimismo, una onda electromagnética con una frecuencia superior a8 × 10 Hz también serán invisibles para el ojo humano; tales ondas se denominan radiación ultravioleta (UV). Incluso las ondas de mayor frecuencia se llaman rayos X, y aún más altas son los rayos gamma.
Todas estas ondas, desde las ondas de radio de frecuencia más baja hasta los rayos gamma de frecuencia más alta, son fundamentalmente iguales y todas se denominan radiación electromagnética. Todos viajan a través del vacío a la misma velocidad (la velocidad de la luz), dándoles longitudes de onda inversamente proporcionales a sus frecuencias.
donde c es la velocidad de la luz (c en el vacío o menos en otros medios), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda.
En los medios dispersivos, como el vidrio, la velocidad depende un poco de la frecuencia, por lo que la longitud de onda no es inversamente proporcional a la frecuencia.
Sonar
El sonido se propaga como ondas de vibración mecánica de presión y desplazamiento, en el aire u otras sustancias. En general, los componentes de frecuencia de un sonido determinan su "color", su timbre. Cuando se habla de la frecuencia (en singular) de un sonido, se refiere a la propiedad que más determina su tono.
Las frecuencias que un oído puede escuchar están limitadas a un rango específico de frecuencias. El rango de frecuencia audible para los seres humanos suele estar entre 20 Hz y 20 000 Hz (20 kHz), aunque el límite de alta frecuencia suele reducirse con la edad. Otras especies tienen diferentes rangos de audición. Por ejemplo, algunas razas de perros pueden percibir vibraciones de hasta 60 000 Hz.
En muchos medios, como el aire, la velocidad del sonido es aproximadamente independiente de la frecuencia, por lo que la longitud de onda de las ondas sonoras (distancia entre repeticiones) es aproximadamente inversamente proporcional a la frecuencia.
Corriente de línea
En Europa, África, Australia, el sur de América del Sur, la mayor parte de Asia y Rusia, la frecuencia de la corriente alterna en los enchufes eléctricos domésticos es de 50 Hz (cerca del tono G), mientras que en América del Norte y el norte de América del Sur, la frecuencia de la corriente alterna en los enchufes domésticos es de 60 Hz (entre los tonos B♭ y B; es decir, un tercio menor por encima de la frecuencia europea). La frecuencia del 'zumbido' en una grabación de audio puede mostrar dónde se realizó la grabación, en países que utilizan una frecuencia de red europea o estadounidense.
Frecuencia aperiódica
La frecuencia aperiódica es la tasa de incidencia u ocurrencia de fenómenos no cíclicos, incluidos procesos aleatorios como la descomposición radiactiva. Se expresa en unidades de medida de segundos recíprocos (s) o, en el caso de la radiactividad, becquerelios.
Se define como una relación, f = N / T, que involucra el número de veces que sucedió un evento (N) durante un tiempo determinado (T); es una cantidad física de tipo tasa temporal.
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