XXIV CONGRESO DE INVESTIGACIÓN CUAM - ACMOR

Transcripción

1 LA FISICA ES MUSICA PARA TUS SENTIDOS! ESCUELA EL PEÑON Media superior Nombre del autor(es): Israel Sánchez Mucito Kevin Humberto Anzures Pérez Elías de Jesús Delgado Aguilar I Categoría Científica B. Área de Ciencias Físico-Matemáticas: Modalidad: B1.1 Proyecto escolar Asesores: Pedro Camilo Barreto Vidal Enrique Barrera Herrera Jonacatepec, Morelos, México, a 10 de Febrero del 2013

2 LA FISICA ES MUSICA PARA TUS SENTIDOS! Sumario El Mundo de la acústica es maravilloso, por medio de este, el hombre comunica y manifiesta sus sentimientos en su más grande esplendor: la música. Pero cuando observamos lo que sucede al perturbar los materiales que nos rodean con ondas por medio de vibraciones, observamos fenómenos sorprendentes y que no esperaríamos encontrar. La cymatics, rama de la acústica, que estudia estos comportamientos nos explica de forma muy didáctica y visual lo que son estos fenómenos que presentan preciosas figuras nodales.la explicación es nuestro fuerte y el fenómeno deja atónito a todo espectador pero más aún esa intriga de Figura 1.-Patron acercarte más a la física, saber que sucede, hacerlo tú mismo y adentrarte más en un nodal mundo experimental donde los resultados son siempre inesperados, misteriosos y sorprendentes. 1. Antecedentes Al estar en potencia de hacer algo nos preguntamos: Si las personas hoy en día no se ven atraídas por la física, por qué no llevar la física a ellos y hacerla visualmente atractiva, compartida y más divertida? Los integrantes del equipo tocamos por lo menos un instrumento musical, y desde que empezamos a tocar tuvimos la intriga de saber qué pasa con los objetos cuando son perturbados con alguna vibración en especial en un objeto solido o líquido, y al sumar a esto nuestros conocimientos de físicas comenzamos a experimentar, también nos dimos cuenta que la música es ese lujo necesario de cualquier lugar atractivo donde se busca llamar la atención del publico, entonces nos preguntamos: Qué sucedería si en física usáramos música para atraer la gente y esta misma fuera aplicada en ella para enseñar, compartir y visualizar los fenómenos producidos por ciertas ondas mecánicas? Cómo diseñar un aparato con el que pudiésemos aprender sobre el mundo del sonido y de las vibraciones Por medio de la música? La respuesta a esta pregunta se encuentra en este proyecto. 2. Objetivo El objetivo de nuestro experimento de física es visualizar, enseñar e interactuar con los diferentes patrones de interferencia que se forman en una cuerda, membranas geométricas y en agua cuando estas vibran y son perturbadas a diferentes frecuencias. Como resultado obtenemos ondas estacionarias bidimensionales en una placa y en el caso del agua preciosos patrones de interferencia. También dándole un toque alegre a la enseñanza de la física y de la acústica usaremos diferentes géneros musicales para entender mejor la forma en que se encuentran presentes las ondas estacionarias de forma didáctica en la naturaleza para que cualquier persona pueda interactuar con este proyecto transmitiéndole esa misma curiosidad y espíritu de invención. 3. Marco Teórico La física puede ser enseñada de manera ordinaria, es decir, el uso de algo casual, y

3 la música es la actitud más natural del hombre, pues por medio de ella trasmite sus sentimientos, lo hace reflexionar, lo hace bailar, lo relaja o lo altera más. La música se compone de notas musicales, que en el sentido acústico son tonos o frecuencias, resultado de la mezcla de muchos instrumentos graves y otros agudos como el de un violín y un violoncelo en una orquesta sinfónica. También sabemos que si solo tomamos una nota o tono puro especifico que perturbe a un material, este reaccionara de manera interesante creando fenómenos en su superficie debido al principio de superposición de ondas. 4. Metodología 4.1 Partir desde cero: Desarrollo de la idea Cuando nosotros empezamos a analizar y construir la idea de crear un buen experimento del que todos puedan entender partimos desde la nada. La idea era fusionar lo cotidiano con la física y obtener como resultado que los estudiantes quedasen interesados en el tema, intrigados por el resultado y que se lleven una buena experiencia y conocimientos.es por eso que ligamos la música con la física. 4.2 Breve historia El primero en experimentar con placas de metal y hacer figuras fue Ernst Florens Chladni, conocido como el padre de la acústica, que también realizó estudios sobre la velocidad del sonido. EL SONIDO PUEDE VERSE exclamaba Napoleón Bonaparte al ver que Chladni realizaba esta experiencia en la academia de ciencias de Paris. Figura 2.- Ernst Flores Chladni Uno de los investigadores contemporáneos que siguieron con el trabajo de Chladni fue Hans Jenny, un médico suizo, artista e investigador que aporto más sobre este fenómeno e introdujo el término Cymatics, rama de la acústica con que bautizo a esta ciencia naciente. 4.3 Conceptos básicos que debemos saber Lo primordial para entender el experimento, es conocer ciertos conceptos que estaremos manejando para la explicación del fenómeno, es por ello que al alumno deberá familiarizarse con algunos de ellos: Una onda mecánica es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio material (posición, velocidad y energía de sus átomos o moléculas) que se propaga en el medio. Resonancia Se produce cuando dos o más cuerpos vibran con la misma frecuencia a la que alguno de los ellos comenzó a vibrar al recibir las frecuencias del otro.

4 Frecuencia: Numero de repeticiones en por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico, en esta caso, ondas. Onda estacionaria: Son aquellas ondas formadas por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, frecuencia en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmóviles. Estas avanzan en sentido opuesto a través de un medio. 4.4 Desarrollo Ondas estacionarias en una placa metálica cuadrada El primer aparato experimental que desarrollamos fue muy sencillo, basado en el de Chladni. Consiste en hacer vibrar una placa metálica, de un material llamado solera (acero industrial) de 0.4m x 0.4m, la cual es sostenida por una varilla con el fin de tener la placa de metal bien fija por su centro con la ayuda de una tuerca que se ajuste al tornillo sujeto en la orilla de la varilla. Figura 3.- Generando Conseguimos arena un patron nodal en la fina blanca como marcador para visualizar ciertas zonas de la placa que no vibraran. Como el acero es color grisáceo para resaltar la arena, pintamos la placa de color negro. Para hacer vibrar la placa, se utiliza un arco de violín. La técnica para lograr resonar la placa a un modo de vibración natural es ir rozando el arco de violín por alguno sus bordes con ángulo de 90 y presionando uniformemente conforme se desplaza el instrumento; suena fácil, pero en realidad, requiere de practica y técnica previamente ensayada. Wow! Qué sucedió? Al producir en la placa vibraciones, esta forma un patrón bien definido, donde la arena se ha acumulado, haciendo una figura sorprendente; la sección donde la arena se aglomera, no vibra. A esta parte se le llama nodo, que es el elemento de una onda estacionaria donde la amplitud es mínima y por lo tanto se acumula la arena, mientras que en las zonas restantes, llamadas vientres o antinodos corresponden a las zonas donde la amplitud de la onda es máxima. La figura que se ha formado se le conoce como patrón nodal o de Chladni. Este patrón corresponde a una sola frecuencia específica, a esto se le llama modo de vibración a la que resuena la placa. Ahora Qué pasara si yo presiono un lado de la placa? Si colocamos un dedo en algún punto de la placa, logramos inducir un nodo en ese punto, lo que podría ocasionar algún cambio radical en nuestro patrón obtenido.

5 Maravilloso! Qué ocurrió...? generador de frecuencias llamado (Test tone generador) obtenido de internet en su versión gratuita, una computadora con salida de audio, cable auxiliar (estéreo), amplificador de audio, cable de doble plug, y una bocina de 300 watts. 5. Resultados Figura 4.- Patron nodal de mayor frecuencia induciendo un nodo Lo que ocurrió fue inducir un nodo con nuestro dedo en la placa y así modificar la forma en la que las oscilaciones viajan por el metal y la forma en que se superponen entre ellas, y llegamos a la conclusión a que no se cuenta con un solo modo de vibración en una placa, sino tiene varios a los cuales podemos hacer una infinidad de figuras al inducir más nodos y modos de vibración. A continuación se presentan las imágenes obtenidas a partir de los modos de vibración hallados en la placa cuadrada cada uno de estos patrones se encontró generando oscilaciones desde 1Hz de manera gradual, pasando por cada una de las frecuencias hasta encontrar aquellas que correspondieran a los modos de vibración de la placa. 4.5 METODOLOGIA Ondas estacionarias en placas geométricas Figura 5.- Especificaciones de las placas de fibracel Para hacer oscilar estas placas a diferentes tonos puros, hemos diseñado un sistema de vibrador único El sistema consiste en: Un programa computacional

6 SIN PALABRAS? Todo objeto que es capaz de oscilar, puede resonar a diferentes frecuencias y estas estas producen patrones bien definidos de oscilación. Podemos ver que la membrana vibra debido al desplazamiento de la arena y también podemos escuchar los modos normales de oscilación. Los modos de vibración son múltiplos de la frecuencia fundamental del material Interferencias de dos modos a la vez: Interferencia de dos modos a la vez: 480Hz y 95Hz Hz y 136Hz INCREIBLE NO? Figura 6.-Interferencia de frecuencias Cuando damos un golpe a la placa e incluso a cualquier objeto de cualquier material excitamos a muchos modos de vibración incluyendo a las fundamentales y el sonido de un golpe muestra la mezcla de varios modos de vibración. 6.- ONDAS TRANSVERSALES EN AGUA, INTERFERENCIA, FIGURAS Y ONDAS ESTACIONARIAS (CYMATICS) Lo siguiente que hicimos, fue simplemente aplicar oscilaciones un fluido para comprender como las ondas mecánicas transversales se propagan creando el mismo efecto en los fluidos. Figura Hz 7.- CONCLUSIONES Figura Hz Al interactuar con este tipo de fenómenos, podemos darnos cuenta que realmente las vibraciones tiene la cualidad de afectar a la materia. Esto tal vez sea un indicio de que las ondas tienen que ver con la forma de los objetos. Uno de los patrones obtenidos en el agua, se asemeja a la forma del receptáculo del girasol, el cual tiene relación con la espiral dorada y la serie de Fibonacci. Para placas con igual superficie, requerirá una frecuencia más alta aquella con mayor grosor. Esto debido a que la densidad es un factor clave en la obtención de patrones nodales. Cada uno de los modos de vibración que observamos se presenta en una frecuencia que es múltiplo de la primera o de la más grave; casi como ocurre en un instrumento musical.

7 8.- BIBLIOGRAFIA Física sin Matemáticas, Clarence E. Bennett, Editorial CECSA The Structure and Dynamics of Waves and Vibration, Hans Jenny, Volume 1, 1967 Wave Phenomena, Vibrational effects and Harmonic Oscillations with their structure, kinectis and -Dinamics, Hans Jenny, Volume 2, 1974 Fisica 1, Robert Resnick, David Hallady, Kenneth S, Krane, 5th Edition, Editorial CECSA ria