A: Amplitud λ : Longitud de onda

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1 Prof: José E. Espinoza Sepúlveda GUÍA DE FÍSICA I AÑO MEDIO Unidad: ONDAS Y SONIDO Contenido: ONDAS Y SONIDO Nombre Alumno (a):... Fecha: Recuerda que en fenómenos ondulatorios, la energía se transfiere sin traslación de materia, hablamos de oscilación en esta transferencia de energía y que las ondas se clasifican como: Mecánicas y electromagnéticas. Transversales y longitudinales. Viajeras y estacionarias. Uni, bi y tridimensionales. Independientemente de lo anterior, para toda señal ondulatoria podemos utilizar la representación gráfica sinusoidal que la caracteriza: A: Amplitud λ : Longitud de onda Seguramente has observado que al generarse ondas en una piscina, estas se propagan hacia las paredes y se reflejan al llegar a ellas, esto es, regresan al medio desde el cual provienen porque un obstáculo impide que sigan propagándose. Junto con la reflexión suele apreciarse el interesante fenómeno de interferencia del que nos ocuparemos más adelante. Las flechas indican la dirección y sentido de propagación del frente de ondas, en este caso la propagación es en todas direcciones. El frente de ondas y la dirección de propagación son perpendiculares. En casos más generales, frente de ondas se refiere a la línea envolvente de las ondas propagándose, en el mencionado, el frente de ondas es paralelo a la superficie de incidencia (paredes de la piscina), por este motivo las ondas se reflejan sobre sí mismas. 1

2 La siguiente representación la podemos asimilar a un frente de ondas que se propaga a manera de paralelas y equidistantes, cuya separación corresponde a la longitud de onda λ Así podemos analizar con más facilidad la reflexión de una onda cuando esta incide formando ángulo con respecto al obstáculo Los ángulos de incidencia y reflexión se miden con respecto a la normal N, línea perpendicular a la superficie de incidencia, levantada desde el punto de incidencia. El punto de incidencia es sólo referencial a lo largo del obstáculo recto. Se cumple que: Ángulo de incidencia y de reflexión, son iguales. Longitud de onda y frecuencia, se mantienen. La reflexión de ondas se verifica sobre el mismo medio de propagación La amplitud se mantiene para lapsos y distancias breves ya que en situaciones reales toda onda se amortigua o sea, disminuye la intensidad a medida que se propaga o es absorbida por algún obstáculo no reflectante. A diferencia de la reflexión de ondas, en la que la señal se refleja sobre el mismo medio de propagación, la refracción de ondas ocurre cuando la señal cambia de medio de propagación, como por ejemplo desde el aire hacia el agua, también la puede experimentar un tren de ondas propagándose dentro de un estanque o piscina con agua a distinta profundidad o el sonido transmitiéndose entre dos capas de aire de distinta densidad y/o temperatura. También hay reflexión sólo que menos notoria. La línea que separa los dos medios recibe el nombre de interfaz. 2

3 En el esquema se representa la refracción que experimenta un frente de onda al propagarse desde el medio 1 hacia el medio 2. (No se representa la reflexión) Se cumple que: La frecuencia se mantiene. Cambian la longitud de onda y la rapidez de propagación. Ángulo de refracción es distinto al de incidencia. Ángulo de reflexión es igual al de incidencia. Si el índice de refracción del medio 2 es mayor al del medio 1, como el caso esquematizado, el ángulo de refracción es menor que el de incidencia, la dirección de propagación se acerca a la normal, la rapidez de propagación y la longitud de onda disminuyen. Si el índice de refracción del medio 2 es menor al del medio 1, el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia, la dirección de propagación se aleja de la normal, la rapidez de propagación y la longitud de onda aumentan; en este caso puede ocurrir la llamada reflexión total que se genera cuando la inclinación de la incidencia supera al ángulo crítico, caso en el cual no hay refracción. En el esquema anterior no se ha representado la reflexión, pero esta obedece a la Ley ya mencionada. Cuando dos ondas se propagan con en el mismo medio y se encuentran, se genera interferencia, al superponerse. La interferencia puede ser constructiva o destructiva, dependiendo de la fase de propagación (evidentemente hay grados intermedios o matices en una interferencia). La anulación es total cuando las ondas que se superponen tienen igual longitud de onda, frecuencia y amplitud, además de estar desfasadas en 180º. Matices anteriormente mencionados, se presentan cuando las ondas superpuestas tienen distinta longitud, amplitud y frecuencia y desfases diferentes de 180º. El sonido es un fenómeno ondulatorio del tipo mecánico, vale decir: necesita medio de propagación, sea éste gaseoso, líquido o sólido. Las ondas sonoras estimulan el oído humano de manera que percibimos aquellas ondas que están dentro del rango audible, como por ejemplo: la vibración de una cuerda de guitarra, la del golpe de las manos al aplaudir, la de las cuerdas vocales al hablar, la del roce entre dos superficies, etc. Las ondas sonoras son longitudinales y se propagan gracias a la compresión y descompresión de un medio, aire por ejemplo, cambios de presión que afectan a las moléculas del medio de propagación, transfiriéndose energía unas a otras en forma longitudinal, esto constituye vibración que estimula el tímpano del oído humano con la misma frecuencia o número de oscilaciones por unidad de tiempo. La vibración del tímpano prosigue con un proceso de transmisiones muy delicado, con reflexiones y refracciones combinadas, en que intervienen los huesecillos martillo, yunque y estribo, la cóclea o caracol, algunos medios líquidos, otros cartilaginosos, etc, 3

4 hasta que ocurre el envío de señales eléctricas al cerebro a través de nervios que son muy buenos conductores. La unidad de frecuencia en el S.I. es 1Hz = 1/s (1 ciclo por segundo). El rango audible para el ser humano está comprendido, aproximadamente, entre 20 Hz y Hz. Los sonidos de menor frecuencia a 20 Hz se llaman infrasónicos y los de mayor frecuencia a Hz, ultrasónicos. Por citar dos ejemplos: perros y murciélagos perciben sonidos ultrasónicos hasta Hz y Hz respectivamente. Distinguimos sonido agudo y sonido grave (tono). Tono agudo tiene mayor frecuencia o sea mayor número de ondas por unidad de tiempo y vice-versa, tono grave. El gráfico representa dos ondas sonoras de igual amplitud y distintas frecuencia y longitud de onda en igual tiempo. La rapidez (v) del sonido depende del medio en el que se propaga, de la temperatura a que éste se halla, entre otros aspectos. Por ejemplo: en el aire a 0ºC el sonido se propaga con rapidez 332 m /s y se incrementa en 0,6 m /s por cada 1ºC de aumento de la temperatura; en los medios sólidos la rapidez depende de la elasticidad y de la densidad de acuerdo con la expresión: Є Elasticidad en N /m 2 δ Densidad en Kg /m 3 4

5 Rapidez del sonido en distintos medios a 20º C Medio de propagación Densidad en Kg /m 3 Rapidez en m /s Aire Etanol Benceno Agua Cobre Madera Aluminio Acero 1, La intensidad de sonido corresponde a la amplitud de onda y se mide en decibell o decibel (db). La mayor intensidad soportable por el oído humano es 120 db. El umbral del dolor corresponde a intensidad 110 db aunque a 100 db ya genera cierto dolor. También se considera que a partir de 90 db se puede producir daño temporal o permanente, dependiendo de cada persona. En nuestro país, la legislación al respecto de la contaminación acústica ha establecido que 45 db es la máxima intensidad permitida durante el sosiego de la noche, para el adecuado descanso. La interpretación de un instrumento musical, el canto de un ruiseñor, etc, son sonidos agradables y se caracterizan por ser ondas sonoras con frecuencias regulares en cuanto a periodicidad, por lo tanto tonos armónicos y amplitud o intensidad bien definidas, aunque a veces constituyen un conjunto de melodías. Por el contrario, un ruido o sonido desagradable (y en ocasiones hasta dañino) es una señal ondulatoria irregular en cuanto a periodicidad, longitud de onda, amplitud, etc. Se llama timbre a la forma o representación gráfica de un sonido, como por ejemplo la voz de una persona, un instrumento musical, etc. y nos permite distinguir o reconocer claramente un sonido característico. La siguiente representación corresponde al timbre de dos instrumentos músicos interpretando notas musicales conocidas: Aunque diferentes a otras ondas, las del gráfico anterior son bien definidas, o sea armónicas. LA VOZ HUMANA La voz humana se genera en la laringe donde la glotis es el verdadero órgano fonador. El aire, por aspiración (nariz) ingresa hacia la tráquea, los pulmones y diafragma, después, por espiración, en la laringe es forzado a través de la glotis, esfuerzo que hace vibrar a los dos pares de cuerdas vocales. Las cuerdas vocales son semejantes a lengüetas dobles membranáceas. El aire ya transformado en sonido prosigue hacia la cavidad bucal, a través de la faringe. Las cavidades de la cabeza que componen el sistema respiratorio y nasofaríngeo, son resonadores. En resumen, en la generación de la voz humana intervienen: Aparato respiratorio: Nariz, tráquea, pulmones y diafragma. Aparato fonador: Laringe y cuerdas vocales. Aparato resonador: Boca, faringe, paladar óseo, seno maxilar y seno frontal. 5

6 Emisor Intensidad en db Nivel mínimo de la voz humana 20 Mujer conversando en voz baja 25 Varón conversando en voz baja 30 Mujer conversando con voz normal 50 Varón conversando con voz normal 55 Mujer hablando en público 60 Varón hablando en público 65 Mujer esforzándose al hablar 70 Varón esforzándose al hablar 75 Mujer cantando 80 Varón cantando 85 Nivel máximo de la voz humana 90 Voz humana Frecuencia en Hz Soprano Mezzosoprano Contralto Tenor Barítono Bajo Para que una alocución sea entendible por el receptor, la voz debe ser emitida con frecuencia mayor a 500 Hz e intensidad alrededor de 50 db. EMISORES DE SONIDO E INTENSIDAD Fuente Sonora Intensidad en db Umbral de la audición 0 Golpe de una hoja de árbol al caer sobre el suelo 5 Respiración normal. Murmullo 10 Caída de gota de agua. Hojas arrastradas por la brisa 20 Auditorium vacío. Cuchicheo Barrio residencial de noche. Conversación en voz baja. 40 Restaurante tranquilo. Conversación en voz normal 50 Interior de una oficina en hora de trabajo. Tránsito bajo 60 Conversación en voz alta Tránsito Normal 70 Aspiradora. Equipo musical. Aparato TV 80 Cataratas del Niágara. Tránsito intenso 90 Tren urbano. Martillo neumático 100 Aserradero. Concierto de Rock. Trueno fuerte (umbral del dolor) 110 Motor de avión 120 Motor de inyección al despegar 140 Cohete al despegar Ejercicios 1.- La figura representa la propagación de una onda en 0,5s. Completa con el valor correspondiente y agrega el desarrollo respectivo: a) Valor de la Amplitud:... b) Valor de la Longitud de onda:... c) Valor de la Frecuencia de onda:... 6

7 d) Valor de la Rapidez de propagación de la onda:... e) Valor de la Propagación al cabo de 2,2 min:... f) Tiempo que tardaría en propagarse 0,27 km: Un observador percibe el trueno 2,3 s después de ver el relámpago. Calcula la distancia entre el observador y el lugar en que se generó el relámpago 3.- Humbertrito dice que los sonidos no se propagan ni en la Luna ni bajo el mar. Es correcto lo que afirma Humbertito? Por qué? 7