Propagación: POR SU DIRECCIÓN DE OSCILACIÓN

Transcripción

1 Propagación: POR SU DIRECCIÓN DE OSCILACIÓN La dirección de su oscilación en comparación con la dirección de propagación define si una onda es transversal o longitudinal. Una onda transversal es aquella en que la amplitud de oscilación es perpendicular a la dirección de la propagación, por ejemplo las olas del mar. La oscilación de una cuerda. En las ondas longitudinales en tanto, la dirección u oscilación coincide con la dirección de propagación de la onda. Un ejemplo de este tipo de ondas es el sonido. POR SU SENTIDO DE PROPAGACIÓN Según el sentido de propagación las ondas se dividen en dos grupos: Ondas viajeras y ondas estacionarias. Una onda viajera es aquella en la cual su dirección y sentido de propagación es única, no sufre procesos de reflexión que le haga cambiar de sentido de propagación. Ejemplo de este tipo de ondas son las olas del mar, un sonido emitido en un lugar abierto, rayos UV provenientes del sol. La distancia que puede recorrer una onda se encuentra solo condicionada al nivel de absorción de los obstáculos en su camino y a los fenómenos de interferencia producidos por otras ondas. Una onda estacionaria se genera cuando dos ondas de la misma frecuencia y amplitud se propagan por el mismo medio, la misma dirección pero en sentido contrario. Estas ondas se pueden generar en distintos medios como cuerdas y columnas de aire. Una onda estacionaria es la combinación de los fenómenos de reflexión e interferencia. Se les llama nodos a todos los puntos de una onda estacionaria tales que el desplazamiento de las partículas del medio ubicadas en estos puntos es nulo. La distancia entre dos nodos consecutivos es igual a media longitud de onda. Los antinodos por su parte, son aquellos puntos donde el desplazamiento de las partículas del medio es máxima.

2 CUERDA VIBRANTE Una cuerda vibrante es una aplicación particular de una onda estacionaria. La cuenda de una guitarra es un clásico ejemplo al respecto. Para que una cuerda albergue una onda estacionaria las longitudes de onda y las respectivas frecuencias deben cumplir ciertos requisitos que estarán dados tanto por la geometría del medio como por las condiciones de oscilación. FRECUENCIAS NATURALES Las frecuencias posibles en una cuerda vibrante se encuentran directamente condicionadas con la distancia entre ambos extremos de fijación. Puesto que los nodos están separados por una distancia igual a una semilongitud de onda. Con n = 1 se obtiene la frecuencia más baja denominada frecuencia fundamental, para n 1 a los movimientos para producir una onda estacionaria se les llama armónicos. La cuerda puede por lo tanto vibrar estacionariamente en estas frecuencias. Bajo estas condiciones de oscilación la cuerda entra en resonancia con una amplitud relativamente grande. Si la cuerda es sometida a oscilaciones distintas a los armónicos o la fundamental entonces vibrará con oscilaciones forzadas de amplitud muy pequeña. Al retirar la excitación, las oscilaciones se amortiguarán gradualmente y la energía se disipará en los extremos o por roce con el aire. FENÓMENOS ASOCIADOS A ONDAS REFLEXIÓN Fenómeno ondulatorio que se presenta cuando la mayor densidad de un medio material no permite que la onda siga propagándose. En este caso se dice que la onda rebota y se cumplen dos leyes la onda incidente, la onda reflejada y la normal están en un mismo plano y el ángulo de incidencia es congruente con el ángulo de reflexión.

3 Para el caso de una onda sobre una cuerda pueden darse dos situaciones: Caso 1: La cuerda se encuentra totalmente fija en un extremo. En este caso la onda experimenta un desplazamiento de fase de 180º. Caso 2: Se permite el movimiento vertical de la cuerda por medio de una argolla. En esta caso no hay desplazamiento de fase. TRANSMISIÓN Así como al enfrentarse a un nuevo medio la onda se devuelve ( transmisión ), parte de esta onda logra atravesar el nuevo medio. A este proceso se le llama transmisión. La energía que porta la onda incidente es distribuida en las dos nuevas ondas generadas. Misma relación existe con las amplitudes de las ondas; la amplitud de la onda incidente es igual a la suma entre las amplitudes de la onda transmitida y aquella reflejada. Al pasar de un medio a otro por transmisión, la onda varía su velocidad de propagación, la frecuencia se mantiene pero la longitud de onda cambia. Mientras más denso sea el medio de propagación, más rápido se moverá la onda. Como v = 1 x f, si al pasar a un medio más denso la velocidad de propagación de la onda aumenta y la frecuencia se mantiene, necesariamente la longitud de onda debería aumentar.

4 REFRACCIÓN Cuando una onda cambia de medio de propagación además de cambiar su rapidez de propagación y longitud de onda, cambia la dirección en que se propaga. El ángulo de desviación de la onda depende de la densidad del medio. Si la onda incide en forma perpendicular al nuevo medio, no hay cambio de dirección. SUPERPOSICIÓN CONSTRUCTIVA Y DESTRUCTIVA. Cuando dos ondas de igual frecuencia y signo de amplitud se encuentran y están en fase se produce interferencia constructiva. La onda resultante mantiene la frecuencia pero su amplitud será la suma de las amplitudes de los ondas originales. Si por el contrario, las amplitudes de las ondas originales se encuentran en sentido inverso, la onda resultante tendrá una amplitud igual a la diferencia entre las dos amplitudes de las ondas originales.

5 EL SONIDO. CONCEPTO DE SONIDO Todos los sonidos son generados por vibraciones u objetos materiales. En un piano, un violín y una guitarra, una cuerda vibrante produce ondas sonoras, en un saxofón, las produce la lengüeta vibrante; en una flauta una columna de aire ondulante que entra por la boquilla del instrumento. En todos estos casos, una fuente vibrante emite una perturbación que se transmite a través de un medio (generalmente, el aire ) en forma de ondas longitudinales. En condiciones normales, la frecuencia de la fuente vibrante es igual a la frecuencia de las ondas sonoras que produce. El sonido como onda mecánica, además del aire puede propagarse por distintos tipos de medios materiales. El agua y los sólidos son excelentes conductores del sonido. La velocidad de propagación del sonido dependerá de la densidad del medio; mientras más denso sea el material más rápido viajará el sonido. Medio Velocidad m/s Aire (0º C) 331 Aire ( 20º C) 343 Helio 965 Hidrógeno 1284 Agua ( 0º C) 1402 Agua ( 20º C) 1484 Agua de mar 1522 Aluminio 6420 Acero 5941 Granito 6000 ELEMENTOS CARACTERÍSTICOS DEL SONIDO a) Tono- Frecuencia El tono define si un sonido es agudo. El tono, también llamado altura se cuantifica por medio de la frecuencia, una frecuencia alta produce un sonido también alto o agudo, mientras que una frecuencia baja da lugar a un sonido de baja frecuencia o bajo. A cada nota musical le corresponde un valor de frecuencia; Así por ejemplo un LA equivale a 440 ( Hz). El rango de frecuencia audible para el ser humano se encuentra entre los 20 (Hz). Las cuerdas vocales de un ser humano pueden emitir sonidos con frecuencias entre los 85 (Hz) y los 1400 (Hz). b) Timbre Corresponde a una cualidad del sonido que permite distinguir el origen o fuente sonora. El timbre corresponde a la superposición al sonido emitido por una fuente de las vibraciones producidas por la estructura de la fuente. La superposición generada produce una combinación única de ondas que en suma permiten particularizar un instrumento de otro. c) Ruido Podemos definir ruido como un sonido que se origina por variaciones no periódicas (incoherentes) de la presión. El tono obtenido de esta forma es irregular e incoherente entre su tono fundamental y sus armónicos. Esta irregularidad e incoherencia hace que sea un sonido único e irrepetible. Un vidrio al romperse produce ruido, el crujido de una tabla, etc. d) Intensidad y Sonoridad La intensidad se encuentra directamente relacionada con la amplitud de una onda : un sonido es más intenso que otro si su amplitud de la vibración es mayor. La intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que nos separa de la fuente sonora; si nos alejamos el doble de distancia, la intensidad del sonido disminuye a la cuarta parte. La sonoridad es una cualidad subjetiva que está relacionada con la intensidad con que el oído humano capta del sonido. No obstante su subjetividad, se aplica una escala logarítmica para medida puesto que varía en forma logarítmica con la intensidad. Se usa la escala logarítmica para medir la intensidad del sonido y dicha escala corresponde aproximadamente con la sonoridad. La unidad de medición utilizada es el decibel (db). Un sonido de 10 (db) es 10 veces más fuerte que uno de 0 (db). Un sonido de 20 (db) es 10 veces más fuerte que uno de 10 (db) y 100 veces (10*10) más fuerte que un o de 0 (db).

6 FUENTE DE SONIDO Avión a reacción a 30 (m) de altura 120 Umbral del dolor 140 Rock ruidoso 115 Tren subterráneo antiguo 100 Fábrica promedio 90 Tráfico pesado 70 Conversación normal 60 Biblioteca 40 Murmullo cercano 20 Respiración normal 10 Umbral auditivo 0 NIVEL (db) E) PULSACIONES Las pulsaciones se producen cuando dos tonos de frecuencias ligeramente distintas suenan al mismo tiempo. La sonoridad de los sonidos combinados fluctúa ; primero se eleva. Luego desciende, luego se eleva, luego vuelve a descender, y así sucesivamente. El efecto es producto porque la onda que llega al oído sufre interferencia constructiva o destructiva en forma cíclica debido a la leve diferencia de las frecuencias. Se puede entender mejor este tipo de interferencia observando dos peinetas de diferente espaciado de dientes superpuestas. FENÓMENOS ASOCIADOS AL SONIDO a) FRECUENCIA NATURAL Cuando se perturba un objeto compuesto de algún material elástico, el objeto vibra con un conjunto de frecuencias que le es propio y que producen en conjunto su sonido característico. Se dice que el objeto tiene una frecuencia natural, que depende de la elasticidad y la forma del objeto. Las campanas, los diapasones y las cuerdas son objetos que vibran con sus frecuencias características. Las frecuencias naturales son aquellas en las que se necesita un mínimo de energía para producir vibraciones forzadas. Son aquellas que requieren la menor cantidad de energía para prolongar la vibración b) RESONANCIA Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas en un objeto es igual a su frecuencia natural, la amplitud aumenta notablemente. Este fenómeno se denomina resonancia y se observa en materiales con altas propiedades elásticas. Un columpio es un ejemplo de resonancia, en donde al movimiento oscilatorio normal se le suma los impulsos dado por alguien en el suelo.

7 c) INTERFERENCIA El sonido, al igual que cualquier onda mecánica puede sufrir interferencia constructiva o destructiva. En el primer caso el aumento de la amplitud se siente por un sonido de mayor volumen, mientras que en caso de interferencia destructiva lo que se siente es un descenso del volumen y según las condiciones hasta podría producirse silencio. d) TRANSMISIÓN Como toda onda mecánica el sonido necesita de un medio para propagarse, el sonido no se transmite por el vacío. Mientras más denso sea el medio más rápido viajará la onda sonora. Así, mientras en el aire el sonido puede viajar a 340(m/s) aproximadamente, en un metal el sonido se propagará con una velocidad de 5941(m/s). e) ABSORCIÓN La capacidad para vibrar al ser excitado (inercia) define si un material es absorbente o reflector del sonido. Si un material es duro (por ejemplo acero, cemento o madera), la excitación del sonido provocará que gran parte del sonido será reflejado (rebotará) mientras que otra parte será transmitido por el medio y una parte muy mínima será absorbido. Si por el contrario, el material es blando (por ejemplo esponja, cortinas o alfombras) la mayor parte del sonido será absorbido. f) REFRACCIÓN Este fenómeno se produce cuando una onda cambia de medio de propagación, variando su velocidad. Como no cambia la frecuencia el tono tampoco cambia pero si la longitud de onda. La variación de la temperatura del aire produce variación en su densidad con lo cual la velocidad de propagación del aire varia; mayor temperatura implica menor densidad y por consiguiente menor velocidad del sonido. g) DIFRACCIÓN Como se mencionó anteriormente, las ondas mecánicas tienen la posibilidad de cambiar de dirección cuando pasan alrededor de un obstáculo. Esto explica por qué es posible escuchar un sonido entre una pieza y otra cuyas paredes se encuentran aisladas y existe una abertura que las une.

8 MAPAS CONCEPTUALES DE LA UNIDAD Naturaleza Mecánicas Electromagnéticas Se clasifican según Dirección de oscilación Viajeras Estacionarias Reflexión Refracción Difracción Interferencia Ondas Ondas Propiedades Elementos característicos Sentido de Propagación Elongación Amplitud Ciclo Frecuencia Periodos Longitud de Onda Longitudinales Transversales Objetos en vibración Emisor Instrumentos Musicales Parlantes Cuerdas Vocales Sonido Oído Interno Martillo Sólido Oído Humano Oído Medio Yunque Líquido Medio de Estribo Propagación Receptor Oído Externo Gaseoso Micrófono