Naturaleza del sonido

Transcripción

1 2do Medio > Física Sonido Sonido Naturaleza del sonido Piensa y Explica: Antonio se dirige al laboratorio de su colegio; quiere realizar el experimento de hacer sonar un reloj despertador en el interior de una campana de vacío en pleno funcionamiento. Antonio percibe que el sonido de las campanillas del despertador es cada vez más tenue, hasta que, llegado un instante, no se percibe sonido alguno desde el interior. Para su asombro, el despertador sigue funcionando. Por qué piensas que sucede lo que experimentó Antonio? Justifica tu explicación inicial en el cuadro de más abajo. una campana de vacío es un artefacto que, gracias a una motobomba, va extrayendo poco a poco todo el aire contenido en el interior de una campana de cristal. Escribe aquí tu explicación. Consúltalo: Investiga en internet de qué manera puedes fabricarte una máquina de vacío con una jeringa, un globo y una manguerilla. 1

2 Red conceptual A continuación te presentamos una red conceptual donde se muestran los principales conceptos que estudiaremos a los largo de este módulo. Qué reforzaré? Este módulo tiene como objetivo sintetizar los elementos conceptuales relacionados con el sonido. Ondas Una onda es una perturbación que se propaga en el tiempo y en el espacio, que transmite energía de un lugar a otro, pero no transmite materia. Se puede distinguir en términos muy generales, la existencia de ondas mecánicas y electromagnéticas. Las primeras consisten en perturbaciones que se transmiten a través de la materia, es decir, viajan en medios materiales. Para que se genere un sonido se requiere un objeto que vibre, que denominaremos fuente sonora. El sonido puede transmitirse en medios sólidos como el acero, líquidos y gases como el aire. Las ondas electromagnéticas son campos eléctricos y magnéticos producidos por cargas eléctricas vibrantes (aceleradas), que no necesitan un medio material para propagarse, es decir, pueden viajar en el espacio vacío. La luz, las ondas de radio, las microondas, la radiación UV son manifestaciones de ondas electromagnéticas que estudiarás en cursos posteriores. 2

3 Enfocaremos nuestro estudio en una onda mecánica particular que nos permite escuchar. Dicha onda se llama sonido. Origen del sonido Todo sonido se genera por la vibración de objetos materiales. En un piano, un violín o una guitarra, una cuerda que vibra produce ondas de sonido; en un saxofón, el sonido lo produce una lengüeta que vibra. La voz del ser humano es producida por dos membranas vibrantes localizadas en la garganta denominadas cuerdas vocales. Es de esperar que en más de alguna oportunidad hayas escuchado el sonido de un grillo o el zumbido de un mosquito. Antes de continuar, escribe en el cuadro de más abajo por qué razón crees que el mosquito produce aquel molesto zumbido. Toda vibración genera un sonido, independiente si puedes sentirlo o no, el fenómeno sonoro estará presente siempre en todo proceso vibratorio. Cuando percibes un sonido lejano, como por ejemplo, el de un avión volando en el horizonte, es porque algo se está transmitiendo desde el avión hasta tus oídos a través del aire. Cada sonido agita las moléculas del aire en mayor o menor grado, determinando el nivel de intensidad o volumen en el mismo. Esa vibración llega hasta tus oídos y hace vibrar unas membranas elásticas denominadas tímpanos: La primera fase del sistema auditivo. Para que un sonido pueda transmitirse, entonces, necesitamos de un medio material, y que además sea elástico. La forma más eficiente que la naturaleza utiliza para transmitir energía entre dos lugares distantes es a través de ondas, y el sonido es una onda. Por ejemplo, toda la energía capaz de mantener la vida en nuestro planeta llega desde el Sol a través de ondas. 3

4 Rapidez del sonido y medios de propagación Como ya se mencionó, el sonido no se propaga sólo por el aire; se puede trasmitir sonido por cualquier medio material, independiente del estado de la materia en que se encuentre. Así, en materiales sólidos y líquidos, el sonido se transmite con mucha más facilidad que en los gases. Se dice que, en culturas antes de la Colonia, los indígenas escuchaban el galope de los caballos enemigos aproximándose, apoyando su cabeza en el piso, con uno de sus oídos sobre la superficie. De esta manera podían enterarse de un posible ataque, poco tiempo antes que el enemigo se viera en el horizonte y que el sonido del galope llegara desde el aire. En general, el sonido se transmite con más rapidez en los líquidos que en los gases, y más aún a prisa en los sólidos. La rapidez del sonido en el aire seco a 0ºC es de 331 metros por segundo, o sea, aproximadamente unos 1200 kilómetros por hora. La rapidez del sonido es ligeramente mayor cuando el aire contiene vapor de agua, y también aumenta con la temperatura. Por cada grado de incremento de la temperatura del aire arriba de 0ºC, la rapidez del sonido aumenta en 0,6 m/s. La expresión que nos permite determinar la rapidez del sonido en el aire en función de la temperatura (medida en grados Celsius) viene dada de la siguiente manera: T m v s A priori, se podría concluir que la rapidez del sonido depende de la densidad del material, sin embargo el factor determinante es la elasticidad. La elasticidad es la capacidad de un material para recuperar su forma original después de aplicarle una fuerza deformadora. El acero es muy elástico y el sonido se propaga por este material con una rapidez quince veces mayor que en el aire. La tabla de la derecha especifica la rapidez del sonido en algunos materiales. Qué consideras más elástico, la goma o el aluminio? Anota tu respuesta en el cuadro blanco de a continuación y luego confírmala analizando la tabla de datos de rapidez del sonido en distintos medios de propagación. 4

5 El sonido como una onda Una onda longitudinal es aquella en donde las partículas del medio de propagación oscilan en la misma dirección de propagación de la onda y el sonido es un ejemplo de onda longitudinal. Por naturaleza hay un tipo más de onda denominada onda trasversal, y en ella, las partículas del medio del medio de propagación oscilan perpendicularmente al movimiento de la onda. La imagen siguiente muestra una paleta que comprime el aire confinado al interior de un tubo y luego vuelve a su posición original. Lo que genera es un pulso que se propagará a lo largo del tubo. Las partículas de aire cercanas a la paleta son comprimidas por el movimiento de la paleta que, chocarán a su vez, con las de más adelante, generando una zona de estiramiento una vez que la paleta regresa a su posición original. Después de un tiempo, el aire al interior del tubo vuelve a quedar homogéneamente distribuido, sin embargo, el pulso seguirá propagándose cada vez más lejos. Lo que ocurre con el aire durante el paleteo es generar en él una zona de compresión y otra zona de rarefacción o estiramiento. Dichas zonas se pueden ejemplificar cerrando y abriendo la puerta de una habitación con las ventanas abiertas. Cuando se abre la puerta de golpe, las cortinas salen bruscamente impulsadas por la ventana hacia el exterior, ya que debe escapar todo el aire que se comprimió al momento de abrir la puerta (a), sin embargo, cuando se cierra la puerta bruscamente, la cortina se impulsa hacia adentro producto de que el aire en el interior de la habitación quedó estirado (enrarecido), y esa carencia de aire es recuperada a través de una brisa desde el exterior hacia el interior (b). Las partículas del aire y todo material elástico se pueden comprimir y estirar muy rápidamente, y gracias a esta propiedad se pueden transmitir pulsos a través de ellos. Si la paleta de la figura superior se mueve constantemente hacia atrás y hacia adelante, generará pulsos sucesivos de compresiones y rarefacciones del aire en el tubo provocando sonido, tal como puedes apreciarlo en la figura siguiente. Puedes identificar en la figura las zonas de compresión y rarefacción?, Notas dónde están más separadas y más juntas las partículas del medio de propagación? Es importante que entiendas que las partículas sólo oscilan (realizan movimiento de vaivén) y que el aire jamás es transportado de un lugar a otro diferente. Las ondas no transmiten materia, sólo transmiten energía. 5

6 Fenómenos ondulatorios asociados al sonido La interacción del sonido con la materia dependerá de las características que posea el medio de propagación y las características del entorno. Así, el sonido puede ser reflejado, absorbido, refractado y difractado. La reflexión del sonido se produce cuando las ondas sonoras rebotan en una superficie, regresando al medio de propagación original. Si la superficie es rígida y lisa, como una muralla, gran parte del sonido será devuelto y una parte minúscula se transmitirá por medio del concreto. Si el sonido incide sobre una muralla rugosa, una parte del sonido se reflejará, sin embargo, otra parte (más considerable que en una muralla lisa) se transmitirá por el muro (mayor absorción). Si la superficie de incidencia es blanda, como un trozo de género, mejor será la absorción y mucho menor será la porción de energía sonora reflejada. Ahora bien, la superficie de incidencia es muy blanda y además rugosa, casi toda la energía sonora será absorbida. Entiendes ahora por qué se utilizan cortinas gruesas y alfombras en las salas de cine? Sería factible construir una sala de cine con muros lisos y rígidos? Por la propiedad de reflexión del sonido se produce los fenómenos conocidos como el eco y la reverberación. Investiga en qué consisten dichos fenómenos. El fenómeno de refracción del sonido ocurre cuando una onda sonora cambia de medio de propagación o bien, cuando el medio de propagación cambia parcialmente su densidad producto de la variación de temperatura, alterando su rapidez de propagación. Por ejemplo, en días fríos, la capa de aire más alejada de la superficie terrestre se encuentra a mayor temperatura que la cercana a suelo, que es donde se encuentra escarcha y humedad. Debido a esto, las ondas sonoras se propagan con mayor rapidez en la capa de aire a mayor altura. Si representamos la onda de sonido como una rayo, podríamos visualizar que la onda de sonido se curva hacia abajo facilitando la percepción del sonido a nivel del suelo. En un día caluroso ocurre lo contrario, el suelo está muy caliente, por lo tanto el sonido que se trasmite por esa masa de aire aumentará su rapidez y se desviará hacia arriba dificultando su percepción a nivel del suelo, tal como se representa en la imagen, donde el perrito percibe el sonido de la trompeta mucho mejor en un día frío. 6

7 El otro fenómeno que caracteriza a las ondas es el llamado difracción. La difracción es la propiedad que posee una onda de cambiar su dirección de propagación sin necesidad de cambiar de medio de propagación. Las ondas sonoras tienden a rodear los obstáculos que se le presentan en su propagación. La siguiente imagen muestra el sonido difractándose: La persona del lado A del muro puede ser escuchada por otra persona B ubicada al otro lado, porque las ondas emitidas desde la posición A gracias a la difracción curvan el obstáculo, llegando al oído de la persona en la posición B. Organizador gráfico de síntesis 7

8 Actividad Nº1 Contrasta y responde. Te acuerdas del experimento de Antonio? Construye una nueva respuesta y compárala con tu predicción inicial en el cuadro siguiente. Por qué piensas que sucede lo que experimentó Antonio? Actividad Nº2 Aplica tus conocimientos. En las modernas autopistas es común ver que en ciertos tramos colocan paneles como los que ves en la siguiente figura. Con qué propósito consideras que son instaladas estas estructuras y qué fenómeno del sonido aprovechan? Justifica tu respuesta a un costado de la figura. 8

9 Actividad Nº3 Aplica tus conocimientos. Sonido En las salas de operaciones de las radioemisoras, es necesario cubrir los muros con paneles acústicos, tal como lo ves en la figura. Con qué propósito consideras que son instaladas estas estructuras y qué fenómeno del sonido aprovechan? Justifica tu respuesta a un costado de la figura. Actividad Nº4 Calcula y responde. La temperatura más alta del desierto del Sahara se registró el 13 de septiembre de 1922 y fue de 58ºC a la sombra. Calcula cuál fue la rapidez del sonido a esa temperatura, usando la ecuación de rapidez en función de la temperatura. 9