Holt Science Spectrum A Physical Approach. Chapter 12 Sound and Light (p. 388)

Transcripción

1 Holt Science Spectrum A Physical Approach Chapter 12 Sound and Light (p. 388) Abre tu libro de texto en el capítulo titulado El Sonido y la Luz. Lee el texto y mira detenidamente las ilustraciones a medida que escuches este capítulo. [pausa] El Sonido y la Luz En este capítulo, explorarás las propiedades del sonido y de la luz. Examinarás cómo los instrumentos musicales producen sonido y cómo el sonido es percibido por el oído humano. También aprenderás sobre el uso de las ondas sonoras en las tecnologías de ultrasonido y del sonar. Además, descubrirás que la luz tiene las propiedades de ondas y de particulas. Este capítulo incluye información sobre el por qué los objetos aparentan tener diferentes colores, y cómo funcionan los espejos, los lentes, y los prismas. ******************************** Comencemos en la sección titulada El Sonido. [pausa] En esta sección, examinarás varias propiedades del sonido, incluyendo la velocidad del sonido, sonoridad, tono, armónicos, y resonancia. También aprenderás cómo funciona el oído humano. Y finalmente, aprenderás cómo se emplea el sonido en las tecnologías de ultrasonido y sonar. Cuando escuchas tu grupo musical favorito, probablemente oyes una variedad de sonidos. Probablemente oyes el ritmo fijo de un tambor, el punteo de las cuerdas de una guitarra, el lamento de un saxofón, los acordes de un teclado, o voces humanas. Aunque estos sonidos vienen de diferentes fuentes, todos ellos tienen una cosa en común consisten de ondas longitudinales producidas por objetos que vibran. Cómo produce un instrumento o un altoparlante estereo, ondas sonoras en el aire? Qué ocurre cuando las ondas sonoras llegan a tus oídos? Por qué suena diferente una guitarra a un violín? Sound and Light 1

2 Miremos algunas de las propiedades del sonido. La Figura 1A muestra lo que ocurre cuando un tamborero golpea un tambor. La cara del tambor vibra hacia arriba y hacia abajo. Cada vez que la cara del tambor se mueve hacia arriba, la cara comprime el aire encima de ella. A medida que la cara se mueve hacia abajo de nuevo, la cara deja una pequeña región de aire con una presión de aire más baja. A medida que esto ocurre una y otra vez, la cara crea una serie de compresiones y rarefacciones en el aire. La Figura 1B muestra estas compresiones y rarefacciones como bandas claras y oscuras. Las ondas sonoras producidas por un tambor son ondas longitudinales. Estas ondas sonoras son como las ondas a lo largo de un resorte estirado. Y como las ondas de un resorte, las ondas sonoras son causadas por vibraciones, y ellas llevan energía a través de un medio. Sin embargo, en forma distinta a las ondas a lo largo de un resorte, las ondas sonoras en el aire se esparcen hacia fuera en toda dirección, alejándose de la fuente. Cuando las ondas sonoras de un tambor llegan a tu oído, ellas hacen que tus tímpanos vibren. Por favor mira la próxima página. [pausa] Imagina que estás parado a pocos pies de distancia de un tamborero. Puede parecerte que escuchas el sonido del tambor en el mismo momento que la mano del tamborero golpea la cara del tambor. Las ondas sonoras viajan muy rápidamente, pero no infinitamente en forma rápida. La velocidad del sonido en el aire, a una temperatura ambiental promedio, es aproximadamente 346 metros por segundo. La Tabla 1 muestra la velocidad del sonido en varios materiales y a varias temperaturas. Examina la Tabla 1. A qué temperatura en la Tabla, viaja el sonido más rápidamente en el aire? [pausa] Si contestaste 100 grados Celsius, acertaste. En cuál gas de la Tabla, viaja el sonido más rápidamente? [pausa] De los gases listados en la Tabla 1, el hidrógeno es el gas a través del cual el sonido viaja más rápidamente. Cuál sólido no es muy efectivo para la conducción de ondas sonoras? [pausa] La Tabla 1 muestra que la Sound and Light 2

3 velocidad del sonido es más lenta en el caucho. La velocidad del sonido en un medio en particular, depende de qué tan bien pueden trasmitir las partículas del medio, las ondas sonoras. Por ejemplo, en un gas como el aire, la velocidad del sonido depende de la frecuencia de colisión entre sí de las moléculas del gas. A temperaturas más altas, las moléculas de gas se mueven más rápidamente y hacen colisión más frecuentemente que a temperaturas más bajas. Un aumento de 10 grados Celsius, aumenta la velocidad del sonido en un gas, en unos 6 metros por segundo. Las ondas sonoras generalmente viajan más rápidamente a través de líquidos y sólidos que a través de gases. Las partículas en un líquido o un sólido están mucho más juntas que las partículas en un gas. Como resultado, las vibraciones en los líquidos y sólidos son transferidos más rápidamente de una partícula a la próxima. Sin embargo, algunos sólidos, tales como el caucho, amortiguan las vibraciones. Cuando esto ocurre, las ondas sonoras viajan muy lentamente a través del material. Esta es la razón por la cual el caucho puede ser utilizado para hacer un lugar a prueba de sonido. La intensidad de un sonido determina su sonoridad. Cómo cambian las ondas sonoras cuando aumentas el volúmen en tu estéreo o televisor? La sonoridad de un sonido depende en parte de la energía que está contenida en las ondas sonoras. La energía de una onda mecánica se determina por su amplitud. Así que, mientras más grande sea la amplitud de una onda sonora, más grande será su energía, y por lo tanto, más sonoro o ruidoso será el sonido. La sonoridad también depende de nuestra distancia de la fuente de las ondas sonoras. La intensidad de un sonido describe su sonoridad a una distancia en particular de la fuente del sonido. Sigue hacia la próxima página. [pausa] Un sonido con el doble de la intensidad de otro sonido, no parece ser el doble de sonoro. Los humanos perciben la sonoridad en una escala logarítmica. Esto significa que, Sound and Light 3

4 para que un sonido parezca ser el doble de sonoro que un segundo sonido, el primer sonido tendría que ser 10 veces más intenso que el segundo sonido. La intensidad relativa de los sonidos se encuentra comparando la intensidad de un sonido, con la intensidad del sonido más callado que una persona pueda oir, lo cual se le denomina como el umbral de la audición. La intensidad relativa se mide en unidades llamadas decibeles. La abreviatura de decibel es d-b. Es de notar que la d es en minúscula, mientras que la B es en mayúscula. Una diferencia en intensidad de 10 decibeles significa que un sonido parece ser el doble de sonoro. La Figura 2 muestra algunos sonidos comunes y sus niveles en decibeles. Examina la Figura 2. Cuál es la intensidad de sonido de un aspiradora para pisos? [pausa] Una aspiradora produce un sonido con una intensidad de 70 decibeles. Cuál es la intensidad de sonido de una cortadora de césped? [pausa] Una cortadora de césped produce un sonido con una intensidad de 90 decibeles. Qué tan más sonoro parece ser el sonido de una cortadora de césped comparado con el sonido de una aspiradora? [pausa] Ya que el sonido de una cortadora de césped tiene una intensidad de 20 decibeles más que el sonido de una aspiradora, una cortadora de césped parecería ser cuatro veces más sonora que una aspiradora. El sonido más callado que puede oir un humano es cero decibeles. Un sonido de 120 decibeles es el umbral del dolor. Los sonidos que son más sonoros que este nivel, pueden lastimar tus oídos y causarte dolores de cabeza. La exposición extensa a sonidos por encima de los 120 decibeles puede causar daños permanentes a la audición. La frecuencia de un sonido determina su tono. Los músicos usan la palabra tono para describir qué tan alta o baja suena una nota. El tono de un sonido está relacionado con la frecuencia de las ondas sonoras. Los instrumentos pequeños generalmente producen sonidos de tonos más altos o agudos, de los que producen instrumentos grandes. Sound and Light 4

5 Una nota de tono agudo es ocasionada por algo que vibra muy rápidamente, como la cuerda de un violín o el aire en una flauta. Un sonido de tono bajo o grave es hecho por algo que vibra más lentamente, como la cuerda de un cello o el aire en una tuba. En otras palabras, los sonidos de tonos agudos corresponden a frecuencias altas, mientras que los sonidos de tonos graves corresponden a frecuencias bajas. Muchas personas, especialmente los músicos entrenados, son capaces de detectar diferencias sutiles en frecuencia, hasta diferencias tan pequeñas como un cambio de 2 hercios. Vayamos a la siguiente página. [pausa] El oído humano puede oir sonidos de fuentes que vibran tan lentamente como 20 vibraciones por segundo, o 20 hercios. El oído humano también puede oir sonidos de fuentes que vibran tan rápidamente como 20,000 vibraciones por segundo, o 20,000 hercios. Cualquier sonido con una frecuencia por debajo del rango de la audición humana se conoce como infrasonido. Cualquier sonido con una frecuencia por encima del rango de la audición humana se conoce como ultrasonido. La Figura 3 muestra los animales que pueden oir frecuencias de sonido que están fuera del rango de la audición humana. Examina la Figura 3. Cuál animal en la figura puede oir sonidos con las frecuencias más altas? [pausa] Si dijiste un delfín, acertaste. Cuál animal en la figura puede oir infrasonidos? [pausa] Un elefante puede oir sonidos con frecuencias tan bajas como 16 hercios, por debajo del rango de la audición humana. Ahora adelantemos nuestro estudio de las propiedades del sonido, aprendiendo cómo los instrumentos musicales producen sonido. Los instrumentos musicales vienen en una variedad de formas y tamaños, y producen una amplia variedad de sonidos. Considera las diferencias en sonido y en apariencia entre un fagot y un banjo. Aunque cada clase de instrumento musical es única, la mayoría de los instrumentos producen sonido a través de las vibraciones de cuerdas, columnas de aire, o membranas. Sound and Light 5

6 Todos los instrumentos musicales dependen de ondas estacionarias. Cuando pulsas una cuerda de guitarra, las partículas en la cuerda comienzan a vibrar. Las ondas viajan hacia las puntas de la cuerda, luego reflejándose hacia el centro. Las ondas que viajan hacia arriba y hacia abajo por la cuerda, interaccionan para formar una onda estacionaria sobre la cuerda. Si miras detenidamente las cuerdas de la guitarra en la Figura 4, podrás ver que hay una simple onda estacionaria sobre una de las cuerdas. [pausa] Las dos puntas de la cuerda son nodos. El centro de la cuerda es un antinodo. Por favor mira la próxima página. [pausa] El colocar tu dedo sobre una cuerda en algún lugar del mango de una guitarra, cambia el tono del sonido que la cuerda produce. Esto ocurre porque una longitud más corta de cuerda vibra más rápidamente de lo que vibra una longitud más larga. En otras palabras, la longitud más corta de cuerda vibra a una frecuencia más alta. Aprendiste en el capítulo titulado Las Ondas que las ondas estacionarias pueden existir solamente en ciertas frecuencias sobre una cuerda. La onda estacionaria primaria sobre una cuerda vibrante tiene una longitud de onda que es el doble de la longitud de la cuerda. La frecuencia de esta onda estacionaria se llama la frecuencia fundamental de la cuerda. Todos los instrumentos musicales utilizan ondas estacionarias para producir sonido. En una flauta, por ejemplo, las ondas estacionarias son formadas en la columna de aire dentro de la flauta. El abrir y cerrar los agujeros en el cuerpo de la flauta, cambia la longitud de la columna de aire. Esto cambia la longitud de onda y la frecuencia de las ondas estacionarias que son producidas. La Figura 5 muestra las ondas estacionarias duodimensionales sobre la cara de un tambor. La arena de color oscuro se acumula en los nodos de la onda estacionaria, formando un patrón geométrico. Los armónicos le dan a cada instrumento un sonido único. Supongamos que tocas notas de un mismo tono en un diapasón y en un clarinete. Las dos notas sonarán diferentes una de otra. Si escuchas cuidadosamente, posiblemente puedas oir que el clarinete realmente está produciendo sonidos en diferentes tonos. El Sound and Light 6

7 diapasón produce una nota pura de un solo tono. Un diapasón vibra sólo en su frecuencia fundamental. La columna de aire en un clarinete vibra en su frecuencia fundamental y en ciertos múltiples enteros de esa frecuencia. Estos son conocidos como armónicos. La Figura 6 muestra los armónicos que están presentes en un diapasón y en un clarinete cuando cada uno suena la nota A-natural. Es de notar en la Figura 6 que el diapasón produce un solo armónico. El clarinete suena diferente por la combinación de los varios armónicos que son producidos. También observa en la Figura 6 que la onda producida por el clarinete es más compleja que la onda producida por el diapasón. Sin embargo, la onda producida por el clarinete tiene la misma frecuencia primaria a la onda que produjo el diapasón. Mira la próxima página. [pausa] En el clarinete, varios armónicos se combinan para hacer una onda compleja. Observaste en la Figura 6, sin embargo, que esta onda aún tiene una frecuencia primaria que es igual a la frecuencia de la onda producida por el diapasón. Esta es la frecuencia fundamental, la cual hace que la nota suene cierto tono. El sonido particular de un clarinete es resultado de la intensidad relativa de los diferentes armónicos en cada nota que toca. Cada instrumento musical tiene una calidad sonora característica que es resultado de la mezcla de los armónicos. El sonido de los instrumentos musicales es amplificado por medio de la resonancia. Cuando pulsas una cuerda de una guitarra, puedes sentir que el puente y el cuerpo de la guitarra también vibran. Estas vibraciones, las cuales son una respuesta a la cuerda vibrante, son llamadas vibraciones forzadas. El cuerpo de la guitarra tiene la tendencia de vibrar en ciertas frecuencias llamadas frecuencias naturales. El sonido de la guitarra será más sonora cuando las vibraciones forzadas causen que el cuerpo de la guitarra vibre en una frecuencia natural. Este efecto se llama resonancia. La resonancia se define como un efecto en el cual la vibración de un objeto causa la vibración de otro objeto en una frecuencia natural. Cuando ocurre la resonancia, el sonido Sound and Light 7

8 es amplificado. Esto ocurre porque ambas la cuerda y la guitarra misma, vibran en la misma frecuencia. Vayamos a la próxima página. [pausa] La frecuencia natural de un objeto depende de su forma, tamaño, masa, y el material utilizado para hacer el objeto. Objetos complejos como una guitarra, tienen muchas frecuencias naturales, así que ellos resuenan bien en muchas frecuencias distintas. Sin embargo, algunos instrumentos musicales, como una guitarra eléctrica, no resuenan bien. Como resultado, estos instrumentos deben ser amplificados electrónicamente. Ahora examinemos cómo funciona el oído. La cara de un tambor y las cuerdas de una guitarra vibran para crear ondas sonoras en el aire. Pero cómo oyes estas ondas y cómo las interpretas como sonidos diferentes? El oído humano es un órgano muy sensible. El oído siente las vibraciones en el aire, las amplifica, y luego transmite señales al cerebro. De alguna forma, el proceso de la audición es el reverso del proceso por el cual una cara de un tambor hace un sonido. En el oído, las ondas sonoras hacen que las membranas vibren. Las vibraciones pasan a través de tres regiones en el oído. Tu oído está dividido en tres regiones: el oído externo, el oído medio, y el oído interno. Localiza estas tres regiones del oído en la Figura 7. Mira la Figura 7 a medida que tracemos el camino de las vibraciones a través del oído. Las ondas sonoras primeramente pasan por la parte carnosa de tu oído externo y bajan por el canal auditivo. El canal auditivo termina en el tímpano, el cual es un tejido delgado y plano. Cuando una onda sonora golpea el tímpano, ella causa vibraciones forzadas en el tímpano. El tímpano transfiere estas vibraciones a tres pequeños huesecillos en el oído medio. Estos tres huesecillos son llamados el martillo, el yunque y el estribo. Las vibraciones eventualmente llegan al estribo, el cual se topa con otra membrana mucho más pequeña. Cuando esta membrana vibra, se crean ondas en el líquido dentro del caracol del Sound and Light 8

9 oído que tiene forma de espiral. La resonancia juega un papel en los procesos del oído interno. El caracol está dividido a lo largo de su longitud por una membrana llamada la membrana basilar. Esta membrana tiene muchas células de cabello que vibran en diferentes frecuencias naturales. A medida que las ondas pasan a través del caracol, ellas resuenan con partes específicas de la membrana. Los cabellos sobre la membrana comienzan a vibrar, y las vibraciones estimulan las fibras nerviosas que envían impulsos al cerebro. El cerebro interpreta estos impulsos nerviosos como sonidos de diferentes frecuencias. [pausa] Vayamos a la siguiente página, donde discutiremos el ultrasonido y el sonar. Si gritas sobre el borde de un cañon de roca, es posible que oigas el sonido reflejado de vuelta hacia tí en un eco. Como todas las ondas, las ondas sonoras pueden ser reflejadas. La reflexión de las ondas sonoras puede ser utilizada para determinar las distancias y para crear mapas e imágenes. El sonar emplea ondas sonoras para localizar objetos bajo el agua. Cómo puede una persona en un barco, medir la distancia hasta el suelo del océano? Esta distancia puede ser miles de metros desde la superficie del océano. Una manera de medir distancias largas como ésta, es utilizar el sonar. El sonar es un sistema que emplea ondas sonoras reflejadas para determinar ambas, la locación de objetos y la distancia hacia aquellos objetos. Un sistema de sonar determina la distancia midiendo el tiempo que les toma a las ondas sonoras ser reflejadas de una superficie. Por ejemplo, un aparato de sonar sobre un barco envía un pulso sonoro hacia abajo. El aparato mide el tiempo, representado por una t en minúscula, que toma para que un sonido sea reflejado de vuelta desde el suelo del océano. Utilizando la velocidad promedio de las ondas sonoras en el agua, representada por una v en minúscula, la distancia puede ser calculada utilizando una forma de la ecuación de la velocidad. Sound and Light 9

10 La distancia es igual a la velocidad multiplicada por el tiempo, o, d es igual a v por t. Recuerda que las ondas de ultrasonido son aquellas con frecuencias por encima de los 20,000 hercios. Las ondas de ultrasonido funcionan particularmente bien en los sistemas de sonar porque pueden ser enfocados en rayos estrechos. Como resultado, las ondas de ultrasonido son más fáciles de dirigir que otras clases de ondas sonoras. La Figura 8 muestra un murciélago que usa ondas de ultrasonido reflejantes para navegar en vuelo y para localizar los insectos para su alimento. Las imágenes de ultrasonido son utilizadas en la medicina. Los ecos de las ondas de ultrasonido de frecuencias muy altas, son empleadas para producir imágenes computarizadas llamadas sonogramas. Las frecuencias de estas ondas tienen un rango entre un millón de hercios y 15 millones de hercios. Con la utilización de sonogramas, los médicos pueden ver sin peligro, los órganos dentro del cuerpo sin tener que hacer cirugía. Los sonogramas pueden ser empleados para diagnosticar problemas y para guiar en procedimientos quirúrgicos. La Figura 9 muestra cómo un sonograma puede ser usado para ver un feto en el vientre de la madre. Pasa a la próxima página. [pausa] En altas frecuencias, las ondas de ultrasonido pueden viajar a través de la mayoría de los materiales. Pero algunas ondas sonoras son reflejadas cuando pasan de un tipo de material a otro tipo de material. La cantidad de sonido reflejado depende de la densidad de los materiales en cada lindero. Las ondas sonoras reflejadas de superficies fronterizas diferentes son compiladas en una imágen de sonograma por una computadora. Los rayos X también pueden ser utilizados para producir imágenes del interior del cuerpo humano, pero el ultrasonido es más seguro porque las ondas sonoras no son lo suficientemente enérgicas para dañar las células como lo son los rayos X. Para ver detalles dentro del cuerpo utilizando ondas sonoras, las longitudes de onda del sonido deben ser un poco más pequeñas que las partes más pequeñas del objeto a ser Sound and Light 10

11 visto. Es por ello que se utilizan ondas de ultrasonido de tan altas frecuencias. De acuerdo a la ecuación de la velocidad de ondas, mientras más alta sea la frecuencia de las ondas en un medio dado, más corta será la longitud de onda. Las ondas sonoras con una frecuencia de 15 millones de hercios, tienen una longitud de onda de menos de 1 milímetro cuando se encuentran en tejidos blandos. Por favor ponle atención a los conceptos clave que se listan en el Resumen. La velocidad de las ondas sonoras depende de la temperatura, la densidad, y otras propiedades del medio. El tono se determina por la frecuencia de las ondas sonoras. El infrasonido y el ultrasonido yacen fuera del rango de la audición humana. La sonoridad de un sonido depende de la intensidad. La intensidad relativa se mide en decibeles. Los instrumentos musicales utilizan ondas estacionarias y la resonancia para producir sonido. El oído convierte las vibraciones en el aire a impulsos nerviosos hacia el cerebro. La reflexión de las ondas sonoras o de ultrasonido, puede ser utilizada para determinar las distancias o para crear sonogramas. ******************************** Sound and Light 11