Semana 13 Ondas sonoras

Transcripción

1 Movimiento ondulatorio Semana 12 Empecemos! Hay sonido en todo nuestro alrededor. Oímos voces, música y ruidos. Pero te has preguntado: cómo se produce el sonido?, a través de qué medios se propaga y en cuál de ellos con mayor rapidez? Estas interrogantes nos llevan al estudio de un tipo especial de ondas, las ondas sonoras. El sonido tiene diversas aplicaciones, por ejemplo, ayuda a algunos animales a comunicarse y a encontrar su alimento. Durante esta semana podrás conocer explicaciones a otros fenómenos acústicos que observas en tu día a día. Te invitamos a disfrutar de este tema tan fascinante y relevante para la ciencia, la tecnología y la música. Qué sabes de...? Qué es una onda? Qué diferencia hay entre una onda mecánica y una electromagnética? Calcula los siguientes logaritmos: a) log 10 8 = b) log = El reto es... Intenta darle una explicación a los siguientes planteamientos basados en tus ideas previas y, luego de leer el material, retómalos, pero en esta ocasión tu explicación debe estar basada en fundamentos físicos. 1. Por qué se ve primero el rayo y después se escucha el trueno? 2. Si una campana suena dentro de un recipiente sellado de vidrio ya no la podremos oír si dentro de éste se hace el vacío, pero la seguiríamos viendo. Qué indica esto acerca de las diferentes propiedades de las ondas sonoras y de las ondas luminosas? 3. Imagina que una onda sonora y una electromagnética tuvieran la misma frecuencia. Cuál tendría la mayor longitud de onda? 239

2 Vamos al grano El sonido es una onda mecánica, por tanto precisa de un medio material para propagarse. Los fenómenos sonoros están relacionados con las vibraciones de los cuerpos. Siempre que algo vibra emite un sonido. Por ejemplo, cuando golpeas una puerta, un metal o tocan algún instrumento musical (guitarra, violín, piano), se emiten sonidos. Una pregunta interesante es cómo oímos? Cuando una persona habla, sus cuerdas vocales vibran y emiten un sonido, esta vibración envía una perturbación por el medio que la rodea que normalmente es aire, en forma de ondas longitudinales. Al penetrar estas ondas a nuestro oído, hacen que vibre la membrana del tímpano, estas vibraciones estimulan al órgano de la audición y generan los impulsos nerviosos hacia el cerebro, produciendo la sensación sonora. El sonido es una vibración mecánica de las partículas de aire, cada una de estas transmite su estado de movimiento a las partículas vecinas y así sucesivamente, éstas al vibrar en la misma dirección del sonido se propagan como ondas longitudinales. El ser humano puede percibir sonidos comprendidos entre los límites de frecuencia, 20Hz y Hz, fuera de estos intervalos los sonidos son inaudibles para el ser humano, aunque estos límites pueden variar un poco en función de la edad de las personas. Los sonidos por debajo de una frecuencia de 20Hz, se conocen como infrasonido y si su frecuencia es superior a Hz se denominan ultrasonido. 240 Algunos animales pueden detectar espectros más amplios que el ser humano, como, por ejemplo, el perro, el delfín y el murciélago, los cuales perciben o emiten ultrasonidos, que les permite encontrar objetos y alimentos. En el caso de los murciélagos, aun cuando son casi ciegos, pueden volar sin chocar con ningún obstáculo, emitiendo gritos agudísimos, que pueden llegar a los Hz. Estos se propagan por el espacio, al llegar a un obstáculo cualquiera, son reflejados y vuelven al punto de partida como eco, proveyendo información acerca de los obstáculos que tiene delante y que no ve.

3 Semana 13 Asimismo el ultrasonido tiene aplicaciones en la industria y medicina. La ecografía es una técnica en la cual se emplean los ultrasonidos. El ecógrafo (el aparato) emite ondas de sonidos que rebotan en las estructuras internas del cuerpo, como órganos, venas, arterias y el útero en período de embarazo; estos generan ecos de diferentes amplitudes dando lugar a imágenes que permiten analizar los órganos por los que atraviesa. Se emplea también para romper cálculos de riñón sin necesidad de intervención quirúrgica. Sirve además para localizar objetos y medir la distancia entre ellos, por ejemplo, un submarino puede ser localizado en el fondo del mar al reflejar ultrasonidos enviados por el equipo de sonar del barco. Intensidad del sonido Coloquialmente, la intensidad del sonido la asociamos con el volumen. Físicamente, la intensidad (I) es una propiedad del sonido que se relaciona con la cantidad de energía que la onda transmite a través de cierta área. Cuanto mayor sea este valor más fuerte será la sensación de sonido que percibimos. El rango de amplitudes que el oído es capaz de detectar es muy grande, una unidad que se utiliza para medir la intensidad del sonido es el decibelio (db). La mínima variación de presión que el oído es capaz de detectar son cero decibelios (0dB), y es lo que se considera como umbral de audición. En el otro extremo, la máxima variación que podemos soportar es de 120dB, y es lo que se considera como umbral del dolor. Las exposiciones prolongadas a sonidos fuertes, a partir de 120dB (aprox.), producen daños irreversibles en el sistema auditivo. 241

4 Tono del sonido El tono es la cualidad que nos permite clasificar un sonido como agudo o grave. Qué características de las ondas nos produce esta diferencia entre el sonido agudo y grave? La frecuencia, el número de oscilaciones por segundo, nos da el tono. Los sonidos de baja frecuencia se escuchan como graves y los de alta frecuencia se aprecian como agudos. Por lo general, las mujeres tienen un tono de voz aguda ( fina ) y los hombres tienen un tono de voz grave. En lenguaje musical se dice que un sonido agudo es alto y un sonido grave es bajo. En la música clásica, los cantantes se clasifican de acuerdo a las frecuencias que pueden emitir en sus notas musicales. Con solo escuchar la música, puedes distinguir si el cantante es un bajo (con voz grave, masculina), un tenor (con voz menos grave, masculina), una soprano (voz aguda, femenina) o una contralto (voz grave, femenina). Rapidez del sonido La rapidez de una onda depende de las propiedades del medio en que se propaga; las ondas sonoras pueden viajar a través de cualquier medio material: sólido, líquido y gas. Tabla 6. Rapidez del sonido en distintos medios. Medio Rapidez (m/s) Medio Rapidez (m/s) Medio Rapidez (m/s) Aire 340 Hidrógeno (0ºC) Oxígeno (0ºC) 317 Agua (15ºC) Caucho 54 Plomo 1230 Aluminio Cobre Hierro En la tabla 6 observa que la rapidez de las ondas sonoras en el aire a una temperatura de 20ºC, es de 340m/s, mientras que en los sólidos la rapidez del sonido es casi 15 veces mayor (en el caso del hierro) que la rapidez del sonido en el aire. La rapidez del sonido depende de las condiciones del aire, como la temperatura y la humedad. 242 La rapidez en el aire cálido es mayor que en el aire frio; cuanto mayor es la temperatura de un gas, tanto mayor será su velocidad. Esto se debe a que la agitación de las moléculas de un gas aumenta con la temperatura.

5 Semana 13 Asimismo, la rapidez de las ondas electromagnéticas es de km/s o m/s. Si comparas la rapidez del sonido en el aire con la rapidez de la luz, puedes explicar, por ejemplo, porqué en una pista de atletismo, cuando se da la señal de partida, los competidores observan el humo de la pistola antes que el sonido, pues la luz emplea menor tiempo que el sonido en recorrer la misma distancia. Ahora puedes dar respuesta a una de las preguntas planteadas, en la sección El reto es. A diferencia de la luz, el sonido no puede propagarse en el vacío, esto indica que una persona no percibirá sonido alguno si no hay un medio material entre la fuente de vibración y su oído. Si no hay nada que se comprima y se expanda, no puede haber sonido. Los objetos vibran de distintas formas cuando se golpean. Si golpeas una mesa de madera y un objeto metálico, las vibraciones que se producen serán distintas. Cada objeto vibra produciendo un sonido característico, cuando es perturbado con su frecuencia propia. Resonancia La resonancia es el fenómeno que se produce cuando los cuerpos vibran con la misma frecuencia, uno de los cuales vibra al recibir las frecuencias del otro. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. Por ejemplo, si se tienen dos diapasones idénticos (de igual frecuencia) colocados sobre dos cajas huecas, al poner a vibrar al diapasón A, se observará que el diapasón B emite, de manera espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo. Esta respuesta no se daría en el diapasón B, si los diapasones tienen frecuencias naturales distintas. A B Figura 34. Diapasones de igual frecuencia 243

6 Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como la copa que se rompe cuando una soprano canta. Para saber más En las siguientes direcciones web, puedes disfrutar de una serie de videos, donde que se refuerzan los conceptos trabajados en esta semana Aplica tus saberes Los investigadores observaron que si la intensidad de una fuente se duplica, I=2I 1 no se produce el doble de sensación dos veces más intensa que la causada por I 1. Esta sensación varía con el logaritmo de la intensidad sonora. El nivel de intensidad sonora β se define como: β=log Donde I es la intensidad de la onda sonora y I 0 =10-12 watts/m 2 es el sonido menos intenso que un oído humano puede detectar. El nivel de intensidad sonora β se expresa en unidades de bel (1B), en honor al inventor del teléfono, Alexander Graham Bell, aunque en la práctica se utilicen submúltiplos de éste, como el decibel (1dB), 1dB= 0.1B. Veamos cómo aplicar esa fórmula a través del siguiente ejercicio: en un taller mecánico la intensidad del sonido ambiente es de 10-3 W/m 2. Cuál es en B y db, el nivel de intensidad sonora de este lugar? Sustituimos el valor de la intensidad I 0 =10-12 watts/m 2 y I=10-3 W/m 2 en la fórmula: l l β=log = log10 9 β=9, hacemos la equivalencia B=90dB. En una calle de tránsito intenso, el nivel de intensidad sonora es de 80dB. Cuántas veces la intensidad del sonido en el taller mecánico es mayor que la intensidad del sonido en esta calle? 8=log l 8=logI-log =logI-(-12) 8-12=logI 10-4 =I Justifica cada uno de los pasos realizados. Consulta el Concepto de logaritmo y propiedades en la guía de 8vo semestre (semana 2).

7 Semana 13 La intensidad del sonido en el taller mecánico, Im, es diez veces mayor que la intensidad del tránsito, It, Im=10x10-4 W/m 2 Im=10xIt Comprobemos y demostremos que 1. Realicen en el CCA una breve exposición sobre algunos de los siguientes aspectos: oído humano, sonidos musicales, avances en el estudio del infrasonido y ultrasonido (ecografías, sonar, ondas sísmicas, entre otras) y propiedades del sonido, cuáles son las principales fuentes de contaminación acústica de la zona en que resides). Reflejen en su exposición cómo estos avances han contribuido a mejorar las condiciones de vida de los seres humanos. 2. Análisis de situaciones: a) Según la definición, una onda es una perturbación que se propaga por el espacio. Qué es lo que se perturba en el caso de las ondas sonoras? b) Se puede hablar sin inconvenientes en el espacio sideral o en la luna? c) Durante una tempestad una persona observa un relámpago y, después de 10s, escucha el ruido del trueno correspondiente. A qué distancia se produjo la descarga eléctrica que provocó el relámpago y el trueno? d) Un barco situado a 1000m de la orilla de la playa emite dos sonidos simultáneos, uno por el aire y el otro por el agua: Cuál sonido llegará primero? Cuánto tiempo pasará hasta que llegue el otro sonido? e) Por qué los soldados rompen filas al pasar un puente? Hay un libro abierto siempre para todos los ojos: la naturaleza. Jean Jacques Rousseau 245