3 La luz y el sonido Contenidos Índice 1 Las ondas 2 Propiedades de la luz 3 Reflexión y refracción de la luz 4 Luz y visión 5 Contaminación lumínica 6 Propiedades del sonido 7 Sonido y audición 8 Contaminación acústica 1. Las ondas Una onda es la propagación a través del espacio de una perturbación sin que haya transporte de materia, es decir, transportando solo la energía que la originó. La perturbación puede ser una alteración o una variación en la densidad, en la presión o en el campo electromagnético. Los distintos tipos de ondas pueden propagarse en el vacío, en el aire o en cualquier otro medio. editores, S. A. 1.1. Clasificación de las ondas Las ondas son fenómenos físicos muy conocidos: el oleaje, los terremotos, las ondas de radio o el ruido son consecuencia de la presencia de distintos tipos de ondas. Según su naturaleza, las ondas se clasifican en: > > Ondas electromagnéticas. Se trata de un campo electromagnético variable y se transmite sin necesidad de un medio material, es decir, pueden propagarse en el vacío. Ejemplos de ondas electromagnéticas son la luz visible, los rayos X, las ondas de radio, etc. > > Ondas mecánicas. Necesitan un medio material para propagarse. Ejemplos de ondas mecánicas son el sonido, las ondas producidas en el agua al caer cualquier objeto, la cuerda de una guitarra vibrando, etc. Dependiendo del movimiento de vibración que experimentan, las ondas pueden clasificarse en: 1
> > Ondas transversales. En este caso, el movimiento de vibración de la onda es perpendicular al sentido de propagación. Piensa en una cuerda atada a la pared por un extremo, mientras sostienes el otro extremo con la mano. Súbitamente realizas un movimiento seco hacia arriba y abajo. Esta perturbación se transmite por toda la cuerda hasta llegar a la pared, de forma que la perturbación (que podemos observar como un movimiento hacia arriba y hacia abajo) es perpendicular a la propagación (en horizontal). Todas las ondas electromagnéticas son transversales, por ejemplo, la luz visible. Propagación Perturbación Ondas transversales. > > Ondas longitudinales. Se trata de ondas en las que la perturbación y el sentido de la propagación tienen la misma dirección. Para entenderlo puedes imaginar un muelle muy largo como el de la imagen. Comprime varios bucles a la vez y suéltalos súbitamente. Se producirá una perturbación que recorrerá el muelle, comprimiendo y extendiendo las zonas por donde pasa. Un ejemplo son las ondas sonoras. 1.2. Características de las ondas Imagina una boya en mitad de un estanque que sufre el efecto de una pequeña ola. Empezará a subir y bajar. Esta imagen nos sirve para estudiar las características fundamentales de las ondas. Amplitud de onda Cresta Posición de equilibrio Longitud de onda (λ) Valle editores, S. A. 2
> > Posición de equilibrio: es la posición en la que estaría la boya si no existiese la ola. > > Cresta: el valor más elevado que puede tomar la perturbación, es decir, la altura máxima de la boya. > > Valle: el valor más bajo que puede tomar la perturbación, es decir, la altura mínima de la boya. > > Amplitud: es la distancia entre un valle o cresta y la posición de equilibrio. > > Longitud de onda: es la distancia que separa dos puntos con las mismas características, por ejemplo, la distancia entre dos valles o dos crestas. La longitud de onda se representa con la letra griega λ (lambda). > > Frecuencia: es el número de veces que se repite la perturbación en un segundo. Se mide en s -1 o hercios (Hz). La frecuencia se representa con la letra f. > > Periodo: es el tiempo que trascurre en repetirse la perturbación. Se mide en segundos y es el inverso de la frecuencia: T= l f > > Velocidad de propagación: es el espacio que recorre la onda por unidad de tiempo. Debes tener cuidado, porque aquí se está hablando de velocidad de propagación, es decir, no se trata de la velocidad de subida y bajada de la boya. La velocidad de la onda puede calcularse multiplicando la frecuencia por la longitud de onda: v = f λ T = l f v = f λ editores, S. A. 2. Propiedades de la luz Una de las formas de propagación del calor es mediante la radiación que emiten los cuerpos. En realidad la luz es un tipo de radiación electromagnética; así es cómo nos llega parte de la energía del Sol. Pero la radiación electromagnética engloba un amplio abanico de ondas electromagnéticas, entre las que encontramos la luz visible. Si representamos las ondas electromagnéticas en un gráfico que refleje las longitudes de onda y sus energías, tenemos el espectro electromagnético. Como puedes ver, conforme disminuye la longitud de onda aumenta la cantidad de energía que transporta dicha onda. Las propiedades de la luz más importantes son: > > Se propaga en línea recta. > > La luz se propaga a diferente velocidad en los distintos medios. En el vacío, tiene una velocidad limitada y constante de 300000 km/s. > > Transporta energía. En este sentido tenemos dos tipos de objetos, las fuentes primarias (emiten luz propia, como el Sol) o fuentes secundarias (son capaces de reemitir parte de la luz que les llega, como los espejos o la Luna). > > Se refleja y se refracta, es decir, es capaz de rebotar en algunos medios y de traspasarlos. Dedicamos más adelante un epígrafe a esta propiedad. 3
Espectro visible por el ser humano (luz) Infrarrojos Ultravioleta 750nm 700nm 650nm 600nm 550nm 500nm 450nm 400nm Fuentes de emisión Torre eléctrica Antena Móvil Radar Microondas Luz solar Central Nuclear Longitud de onda (m) Frecuencia extremadamente baja 10 7 Onda media UHF Onda larga Onda corta VHF Radio Radar Microondas Infrarrojo UV A/B/C Ultravioleta Rayos X Rayos Gamma Rayos cósmicos 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 Frecuencia (Hz) Unidades de longitud de onda 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 10 15 10 16 10 17 10 18 10 19 10 20 10 21 10 22 10 23 (1 kilo-hz) (1 Mega-Hz) (1 Giga-Hz) (1 Tera-Hz) (1 Peta-Hz) (1 Exa-Hz) (1 Zetta-Hz) 1Mm 1km 1m 1cm 1mm 1µm 1nm 1Â 1pm 1fm Variación de la frecuencia Tamaño relativo de la onda Edificio Humano Abeja Punta de alfiler Protozoo Molécula Átomo Nucleo atómico Longitud de onda Frecuencia Energía En adelante hablaremos de la luz visible para los seres humanos, entre frecuencias de 4 10 14 Hz (luz roja) y 8 10 14 Hz (luz violeta). 2.1. La luz se propaga en línea recta Es fácil probar que la luz se propaga en línea recta. Puedes ver los objetos que tienes delante, pero no puedes verlos si están detrás de una esquina. Por otra parte, piensa en los punteros láser: la luz sale formando un rayo en línea recta. Otra prueba de que la luz se propaga en línea recta es la formación de sombras. Las sombras ocurren cuando un objeto opaco se interpone entre un rayo de luz y una superficie. Este hecho explica además el fenómeno conocido como eclipse: un objeto planetario se interpone entre el Sol y otro objeto. En la Tierra podemos disfrutar dos tipos eclipses: eclipse de Sol y eclipse de Luna. 3. Reflexión y refracción de la luz En este apartado vamos a estudiar qué ocurre cuando un rayo de luz se encuentra con un objeto. En general pueden pasar tres cosas: el objeto absorbe el rayo (se produce un calentamiento), el objeto refleja el rayo o el objeto refracta (deja pasar) el rayo. Dependiendo del objeto que sirve de obstáculo, pueden ocurrir los tres fenómenos a la vez, dos de ellos o solo uno. editores, S. A. 4
3.1. Reflexión La reflexión es el cambio de dirección que sufre un rayo de luz al chocar con la superficie de un cuerpo. El rayo que llega a la superficie del objeto recibe el nombre de rayo incidente, mientras que el que sale rebotado es el rayo reflejado. Rayo incidente Normal Rayo reflejado Ángulo de incidencia î Ángulo de reflexión rˆ î = rˆ Superficie incidente El ángulo de incidencia î es igual al ángulo de reflexión ˆr. La reflexión es también la causante de que veamos los objetos. Los cuerpos se ven gracias a que reflejan en todas direcciones la luz que les llega. Espejos Un espejo es un cuerpo que posee la característica de reflejar la luz que incide sobre él. Los espejos en general se construyen pulimentando perfectamente su superficie, para que la luz se refleje de manera regular y por completo. Se dividen en planos y curvos: > > Espejos planos: se trata de superficies planas. Las imágenes producidas tienen el mismo tamaño y guardan la misma relación de aspecto que los objetos reflejados. > > Espejos curvos: son superficies curvas y producen imágenes distorsionadas. La imagen resultante depende de la distancia a la que se encuentre el objeto reflejado. Pueden ser a su vez cóncavos (como la parte interior de una cuchara) o convexos (como la parte exterior de una cuchara o una esfera). 3.2. Refracción La refracción es el cambio de dirección que sufre un rayo de luz al pasar de un medio a otro. editores, S. A. Como ya sabes, la luz viaja a distinta velocidad en diferentes medios. Por ejemplo, si introduces una cañita de refresco en un vaso de agua, la refracción se produce porque la luz viaja más deprisa en el aire que en el agua. Al rayo que incide se le denomina rayo incidente, y al rayo que pasa al otro medio se le llama rayo refractado. Observa que en este caso los ángulos de incidencia y refracción no son iguales. Al pasar de un medio donde viaja a más velocidad a otro donde viaja a menor velocidad, el rayo refractado se acerca a la normal y viceversa. 5
Rayo incidente î normal n 1 n 2 Rayo refractado r r< î n 1 = índice de refracción en el medio 1. n 2 = índice de refracción en el medio 2. Lentes y formación de imágenes Las lentes son objetos transparentes con alguna cara curva que pueden formar imágenes. Se clasifican en dos tipos: convergentes y divergentes. 4. Luz y visión En primer lugar podemos preguntarnos por qué vemos los objetos. Resumimos la respuesta en forma de proceso encadenado: un rayo de luz visible incide sobre el objeto, el objeto lo refleja, el rayo reflejado incide en nuestro ojo, se refracta hacia el interior donde se proyecta la imagen, se forma una imagen sobre la retina, la información es recogida por las células nerviosas, se produce un impulso nervioso que se conduce al cerebro, y allí se interpreta la sensación de la vista. El ojo es el órgano que permite a los seres vivos ver el mundo que les rodea y poder adaptarse a él. El ojo también se denomina globo ocular y es una esfera cuyas partes fundamentales son: > > Esclerótica: capa protectora. > > Córnea: parte transparente de la esclerótica por donde entra la luz. > > Pupila e iris: el iris es el encargado de regular el paso de luz a través de la pupila, un pequeño orificio de unos 3 mm de diámetro. > > Cristalino: lente convergente que se encarga de focalizar la luz en la retina. > > Retina: capa donde se forma la imagen y que posee dos tipos de células receptoras de la luz: los bastones y los conos. Estas células transforman la luz en impulsos nerviosos que viajan a través del nervio óptico. En la retina, la imagen se forma invertida, es decir, al revés de como está realmente. > > Nervio óptico: nervio encargado de conducir el impulso nervioso hasta el cerebro, donde se interpretará la información recibida como una imagen real. editores, S. A. 6
Pupila Cristalino Coroides Retina Las cámaras de fotos funcionan de una forma muy parecida al ojo. El cristalino enfoca las imágenes, igual que las lentes de la cámara. El iris controla el paso de luz, igual que el diafragma de la cámara. La imagen se forma en la retina, igual que en la película o sensor. Córnea Iris Nervio óptico Esclerótica 5. Contaminación lumínica En el siglo xx se disparó el consumo de energía eléctrica y con él su uso desproporcionado y muchas veces irresponsable. Hemos llegado a tal punto que algunas emisiones de luz pueden ser molestas e incluso problemáticas en algunos aspectos. La contaminación lumínica es la emisión directa o indirecta de luz nocturna en lugares y horarios improcedentes, proveniente de fuentes artificiales y que produce algún tipo de molestia o problema. Una mala gestión en el alumbrado público, las vallas publicitarias y los alumbrados de edificios puede producir deslumbramientos y dispersión de la luz, ocasionando una serie de problemas que podrían tener fácil solución. editores, S. A. Cuáles son los problemas de la contaminación lumínica? > > Se pierde la oscuridad de la noche, necesaria para el descanso de los seres vivos. > > Se dificultan las observaciones astronómicas ya que el brillo de los cuerpos celestes es muy débil y si el aire está iluminado se pierde dicho brillo. > > Riesgo de accidentes de tráfico y laborales. > > Desorientación en los animales salvajes. > > Trastornos psicológicos en las personas. Cómo pueden solucionarse estos problemas? Contaminación lumínica en una gran ciudad. A pesar de que la contaminación lumínica es imposible de eliminar debido a la reflexión del suelo hacia la atmósfera, sí puede reducirse considerablemente. El uso 7
responsable de la iluminación redunda además en un ahorro energético. Las medidas más eficientes son: > > Utilización de pantallas en el alumbrado público para que la luz se dirija exclusivamente hacia abajo, nunca por encima de la horizontal. > > Iluminar solo las zonas realmente necesarias o regular el consumo según las horas. > > Apagar los alumbrados que tienen un objetivo ornamental, monumental o publicitario a partir de horas avanzadas en la noche. > > Prohibir los cañones de luz láser que se enfocan directamente al cielo. 6. Propiedades del sonido Estamos acostumbrados a escuchar sonidos de todo tipo a nuestro alrededor: voces, timbres, vehículos, viento, etc. A continuación estudiaremos qué es el sonido, cuáles son sus propiedades, cómo escuchamos y qué es la contaminación acústica. 6.1. Cómo se produce un sonido? El sonido se produce debido a la vibración de un cuerpo. Por ejemplo, si coges una banda elástica de goma entre dos dedos y la haces vibrar, escucharás un sonido. Lo mismo ocurre al pulsar la cuerda de una guitarra o golpear las palmas de la mano. En todos los casos se produce una vibración. Una vez producido el sonido, necesita un medio material para que se propague. En los sólidos se transmite con más rapidez. Esto se debe a que al producirse el sonido se produce una compresión de un conjunto de partículas. A continuación ocurre una descompresión, que también se transmite. Así, se irán alternando compresiones y descompresiones, un vaivén que se propaga por el medio material en forma de onda longitudinal. De este modo, el sonido presenta las mismas características que cualquier onda: > > Amplitud: es la altura de la cresta de la onda sonora, a mayor amplitud mayor energía. > > Longitud de onda: se trata de la distancia entre dos zonas de compresión o de descompresión. > > Frecuencia: número de vibraciones que ocurren en un segundo. El oído humano es capaz de percibir sonidos comprendidos entre 20 Hzy 20000 Hz. Las frecuencias inferiores a 20 Hz (infrasonidos) y superiores a 20000 Hz (ultrasonidos) no pueden ser captadas por el oído humano. > > Periodo: tiempo empleado por una molécula para realizar una vibración. > > Velocidad: distancia recorrida por la onda sonora en la unidad de tiempo. En el aire es de 340 m/s, aunque depende de la temperatura, presión y humedad del aire. En los líquidos la velocidad del sonido es mayor que en el aire, y en los sólidos, mayor que en los líquidos. Medio (20 ºC) Velocidad (m/s) Aire 340 Agua 1280 Madera 3900 Acero 5050 Vidrio 5200 editores, S. A. 8
Intensidad de los sonidos Puede producir lesiones en el oído + 120 produce sensación de dolor Exposición prolongada = estrés, problemas de sueño, falta de descanso, hipertensión, ansiedad, dolor de cabeza, problemas digestivos, etc. Ambiente insoportable Ambiente molesto Ambiente ruidoso Ambiente poco ruidoso Ambiente silencioso Tabla de decibelios aproximados Explosión de un artefacto 180 Despegue de un avión a reacción 150 Martillo neumático 130 Concierto de rock 120 Motocicleta con tubo de escape 100 Aspiradora 90 Tráfico de ciudad 80 Conversación 60 Despacho tranquilo 50 Biblioteca 40 Conversación en voz baja 30 Hojas de árboles en movimiento 20 Pisada 10 Silencio 0 120 = límite del umbral del dolor Umbral tóxico Umbral de audición > > Tono: depende de la frecuencia de la onda sonora. Los tonos agudos corresponden a frecuencias grandes y los tonos graves a frecuencias bajas. > > Timbre: a pesar de que dos fuentes distintas pueden emitir un sonido con el mismo tono e intensidad, a menudo notamos que el sonido es distinto. Es lo que pasa cuando diferentes instrumentos tocan la misma nota. Se debe a que en realidad los sonidos no provienen de una única onda sonora, sino de la suma de varias ondas. Se dice así que cada instrumento o fuente tiene un timbre que lo caracteriza. editores, S. A. 7. Sonido y audición Para entender por qué somos capaces de oír, debemos conocer el camino que sigue un sonido desde que se genera hasta que lo percibimos. El sonido, como sabes, se produce debido a la vibración de algún cuerpo que se propaga en forma de onda por algún medio material. En nuestro caso, se propaga por el aire hasta que alcanza nuestro oído, que se divide en tres regiones claramente identificables: > > Oído externo: formado por el pabellón auricular (oreja) y el conducto auditivo externo que termina en una membrana elástica llamada tímpano. > > Oído medio: en su interior se aloja una cadena de huesecillos articulados entre sí: martillo, yunque y estribo. Uno de los extremos del martillo se encuentra adherido al tímpano, mientras el estribo está unido a las paredes de la ventana oval, orificio que comunica con el oído interno. El oído medio se comunica también con la boca mediante un conducto denominado trompa de Eustaquio. 9
> > Oído interno o laberinto: contiene el caracol o cóclea, un tubo enrollado en espiral lleno de líquido y tapizado de células nerviosas. En su interior la vibración captada se traduce en señales nerviosas. En el oído interno también reside el sentido del equilibrio. Las ondas sonoras producidas por las vibraciones del aire son recogidas por la oreja, que las conduce por el conducto auditivo hasta el tímpano. Cuando el tímpano comienza a vibrar, transmite esta vibración a la cadena de huesecillos (desde el martillo hasta el estribo). El estribo transmite la vibración al líquido y a las células sensoriales del interior del caracol agrupadas en el órgano de Corti. Se genera así un impulso nervioso que viaja a través del nervio auditivo hasta el cerebro, donde la sensación es interpretada como sonido. Anatomía del oído Oreja Vellosidades Glándulas ceruminosas Martillo Ventana Yunque oval Estribo Conductos semicirculares (equilibrio) Aparato vestibular Nervio vestibular (equilibrio) Nervio coclear (audición) Caracol Ventana redonda Tímpano Trompa de Eustaquio Cartílago Conducto auditivo externo Oído externo Oído medio Oído interno 8. Contaminación acústica Actualmente el nivel de ruido en los núcleos urbanos es cada vez mayor debido fundamentalmente a la presencia de vehículos a motor. Este aumento del ruido puede causar graves lesiones a nuestro oído. El peligro de un sonido depende tanto de su intensidad como del tiempo de exposición. La contaminación acústica se ocasiona por el ruido, que puede definirse como cualquier sonido molesto o capaz de producir un daño en el oído humano bajo determinadas circunstancias. Cuáles son los problemas de la contaminación acústica? > > Trastornos fisiológicos: dolor de cabeza, taquicardia, agitación respiratoria, etc. > > Trastornos psicológicos: insomnio, fatiga, estrés, irritabilidad, histeria, etc. editores, S. A. 10
> > Trastornos auditivos: mientras que los sonidos fuertes (explosiones, disparos, etc.) pueden producir rotura del tímpano (trauma acústico), la exposición permanente a sonidos intensos puede también producir lesiones que derivan en pérdida total o parcial de la audición. Cómo pueden solucionarse estos problemas? Muchos sonidos dañinos no pueden eliminarse, así que en ocasiones es necesario tomar algunas medidas preventivas o correctoras: > > Uso de tapones y orejeras en zonas donde se produzcan sonidos fuertes (al usar martillos neumáticos, en pistas de aeropuertos, etc.). > > Adecuación de viviendas con materiales aislantes del sonido. > > Utilización de materiales que puedan absorber las ondas mecánicas, como las alfombras y las cortinas. > > Instalación de barreras acústicas al pie de las autopistas para proteger los núcleos urbanos. > > Silenciadores en tubos de escape. En algunas carreteras se instalan barreras acústicas para aislar las viviendas del ruido del tráfico. editores, S. A. 11