El sonido: Ondas y sonido

Transcripción

1 Eje temático: Física. El sonido La luz La electricidad Contenido: Vibraciones y sonido Nivel: 1º Medio El sonido: Ondas y sonido Qué característica principal tienen los fenómenos ondulatorios? Cómo derribar el dominó que está en B desde el punto A? Consideremos dos formas de hacerlo. Una es poniendo un conjunto de dominós entre el punto A y B y derribando el primer dominó de la serie; la otra es lanzando un objeto desde el punto A en dirección a B, como una pequeña bolita. En ambos casos viaja energía de A hasta B. La diferencia es que en el primer caso no hay masa que se mueva entre los puntos A y B. Cuando ocurre lo de los dominós, decimos que estamos en presencia de un fenómeno ondulatorio. Si hay masa que se mueve desde A hasta B, hablaremos de un fenómeno no ondulatorio o corpuscular. Por lo tanto, la principal característica de los fenómenos ondulatorios es que pueden transmitir energía desde un punto a otro, sin que ello implique que existan masas en movimiento. Cuáles son las características de las ondas? Un ejemplo para analizar una onda es el que ocurre en una cuerda o resorte largo cuando agitamos uno de sus extremos. Una onda viaja a lo largo de la cuerda, pues no hay materia que se traslade de un punto al otro. En este caso hablaremos de pulso, a diferencia de lo que se produce cuando agitamos regularmente la mano, en que hablaremos de tren de ondas, onda periódica o simplemente onda.

2 La primera onda se denomina frente de ondas, como el primer anillo que se forma al lanzar una piedra en aguas quietas. En el ejemplo de la figura anterior, las partículas de la cuerda o resorte oscilan perpendicularmente a la dirección en que viaja la onda. Por esta razón, a este tipo de ondas se les denomina transversales. Si experimentamos con un resorte, podemos mover uno de sus extremos en la misma dirección en que está dispuesto, y lo que se generará será una onda longitudinal. Los sonidos que nosotros oímos corresponden a ondas longitudinales, aunque para facilitar la visualización se les representa comúnmente como ondas transversales. En la figura siguiente se ilustra un pulso de forma arbitraria sobre la cuerda y se le compara con la oscilación del péndulo formado por una piedra atada a una cuerda. Las pequeñas flechas indican el movimiento que tiene la cuerda en el momento en que la onda avanza (se propaga). Si nos fijamos en un punto de la cuerda, veremos que éste oscila de forma análoga al péndulo. Al observar distintos puntos de la cuerda cuando una onda periódica se mueve a través de ella, todos los puntos deben oscilar con el mismo período (T) y la misma frecuencia (f). Diremos que estos son los períodos y frecuencias de la onda que se propaga por la cuerda. La amplitud (A) para la oscilación de los puntos en la cuerda será a su vez la amplitud de la onda. Si dos partículas oscilantes de la cuerda en que se propaga la onda están en el mismo estado de movimiento (como en el mismo extremo de oscilación o en la posición de equilibrio) y son consecutivas, la distancia que las separa se denomina longitud de onda y se representa con la letra lambda (λ). Lo anterior es válido para cualquier medio en el que la onda se propague. La amplitud y la longitud de una onda se muestran en la siguiente figura

3 Como una onda se propaga longitudinalmente, podemos determinar la distancia en metros que el frente de ondas avanza respecto al tiempo. Llamaremos a esta magnitud velocidad de la onda (v). Matemáticamente, la velocidad de la onda es el producto de su longitud de onda por su frecuencia: v = λ f. En un medio homogéneo, una onda se propaga con una velocidad constante que es característica para cada medio y no depende ni de la frecuencia ni de la longitud de onda. Es decir, si en una cuerda dada sometida a las mismas condiciones se generan ondas con distintas frecuencias, se obtendrán diferentes longitudes de onda. Cómo se relaciona el sonido con los fenómenos ondulatorios? Como vimos en la ficha Nº 1, el sonido se origina en la transmisión de vibraciones entre distintos cuerpos hasta llegar a nuestros oídos. Como no hay transferencia de masa, el sonido será un fenómeno ondulatorio. Distintos fenómenos en que hay transporte de energía pueden ser clasificados como ondulatorios o corpusculares. Otros, como las olas del mar, suelen ser una combinación de ambas situaciones. Si tiramos una piedra en un lago en que el agua está en reposo, vemos que se forman ondas de forma circular que nacen en el lugar del impacto. Es fácil darse cuenta de que estos frentes de ondas no arrastran agua sobre la superficie del lago o estanque. El sonido, al comportarse como una onda, se propaga a velocidad constante en un determinado medio. Por ejemplo, en el aire los sonidos se propagan con una velocidad de 340 m/s, razón por la cual un sonido de 100 Hz (v = λ f) tendrá una longitud de onda de 3,4 metros, y un sonido de Hz, una de 0,17 metros (17 centímetros). El sonido y sus fenómenos asociados a) Transmisión del sonido. Del mismo modo como se propaga por el aire, el sonido también se transmite y propaga por otros medios materiales: madera, agua, concreto, acero, etc., y lo hace con distintas velocidades. Mientras más densidad (mayor masa por unidad de volumen) tiene el medio de propagación, mayor será la velocidad del sonido. Así es como en el agua (a unos 20 C) la velocidad del sonido es de unos m/s y en el acero de unos m/s. En el vacío, como no hay nada que pueda vibrar, el sonido no se propaga. b) Reflexión y absorción. Cuando un pulso ondulatorio llega al extremo de la cuerda por donde viaja la onda no puede desaparecer (dado que la energía no se pierde, sino que se transforma), por lo que se refleja. Esta reflexión depende de las condiciones en que se halle el extremo, el que puede estar fijo o imposibilitado de moverse, como ocurre cuando la cuerda está amarrada, o libre, cuando el extremo

4 de la cuerda está suelto. El siguiente esquema muestra cómo ocurre la reflexión en ambos casos. El sonido, como cualquier onda, se refleja. Un caso conocido por todos es el eco, que se produce cuando el sonido que se propaga en el aire llega a un material muy denso, como es el caso de una roca o un muro de concreto, que no absorbe eficientemente el sonido. Ocurre lo contrario cuando el sonido llega a la tela de una cortina o a un muro tapizado de corcho, materiales que son absorbentes eficientes. El eco lo apreciamos en forma espectacular cuando estamos a una distancia de varias decenas de metros de un gran muro de roca, pero también ocurre dentro de una habitación vacía. c) Pulsaciones. Si en dos guitarras próximas entre sí, una bien afinada y la otra no, haces vibrar la misma cuerda, percibirás un sonido especial que se caracteriza por cambiar periódicamente de intensidad. A este fenómeno lo denominamos pulsaciones. También se pueden percibir al hacer sonar dos diapasones ligeramente distintos. Esta es la clave para entender la técnica que emplean los especialistas que afinan instrumentos musicales. d) Efecto Doppler. Cuando una fuente emisora de sonido se mueve respecto de nosotros (ambulancia tocando la sirena, automóvil o tren) percibimos un tipo de sonido cuando se aproxima a nosotros y uno distinto cuando se aleja. Esto es así porque al acercarse la fuente de ondas percibimos una frecuencia aumentada respecto de la misma fuente emisora sin movimiento y por lo tanto un sonido agudo. Lo contrario ocurre con una fuente emisora que se aleja, ya que percibiremos una frecuencia menor y por lo tanto un sonido más grave. Ello queda ilustrado en la siguiente figura, donde la fuente primero está detenida (v = 0), luego se aproxima (v = 10) y luego se aleja (v = -10).

5 Este fenómeno se denomina efecto Doppler, en honor a su descubridor, Christian Doppler ( ). Este efecto no solo ocurre con el sonido, sino también con cualquier tipo de onda, incluso con la luz. De hecho, es gracias a éste que los astrónomos pueden medir la velocidad con que se acercan o alejan estrellas y galaxias, y es por ello que hoy sabemos que el Universo se expande. e) Resonancia. Si enfrentas las cavidades de dos guitarras bien afinadas, podrás constatar visual y auditivamente que al hacer vibrar una cuerda cualquiera en una de ellas, en la otra empezará a vibrar la misma cuerda.

6 Este es un ejemplo de lo que denominamos resonancia. Ello se explica si suponemos que cada objeto posee una frecuencia natural de vibración. Si un objeto vibra y cerca de él hay otro que posee la misma frecuencia natural, también empezará a vibrar. Es muy posible que esta sea la explicación de varios hechos popularmente conocidos: cantantes de ópera capaces de romper copas de cristal, la caída de puentes cuando soldados marchan sobre ellos o los edificios que se desmoronan en terremotos. Como resumen, podemos decir que el sonido se comporta como una onda, por lo que tiene asociadas todas las propiedades de éstas.