INSTITUCIÓN EDUCATIVA ALFONSO LÓPEZ PUMAREJO TULUÁ GUÍA DE FÍSICA ONDAS Y SONIDO Partes de una onda: a) Cresta: Es la parte más elevada de una onda. b) Valle: Es la parte más baja de la onda. c) Longitud de onda (λ): Es la distancia comprendida entre dos crestas o dos valles. d) Elongación: Es la distancia comprendida entre la posición de equilibrio de un punto en oscilación y la posición donde se encentra en un instante determinado. e) Amplitud: (A) Es la máxima elongación es decir, el desplazamiento desde un punto de equilibrio hasta la cresta o el valle. f) Oscilación: Se lleva a cabo cuando un punto en vibración ha tomado todos los valores positivos y negativos. g) Período de oscilación (T): En física, el período de una oscilación es el tiempo transcurrido entre dos puntos equivalentes de la oscilación. Es el mínimo lapso que separa dos instantes en los que el sistema se encuentra exactamente en el mismo estado: mismas posiciones, mismas velocidades, mismas amplitudes. Así, el periodo de oscilación de una onda es el tiempo empleado por la misma en completar una longitud de onda. Por ejemplo, en una onda, el periodo es el tiempo transcurrido entre dos crestas o valles sucesivos. El periodo (T) es recíproco de la frecuencia. 1
Propiedades de las ondas Las ondas tienen cuatro propiedades que las diferencian a unas de otras: 1) Amplitud: Como ya dijimos, es la máxima distancia que alcanza un punto al paso de las ondas respecto a su posición de equilibrio. 2) Frecuencia: La frecuencia (f) es la medida del número de ondas que pasa por un punto en la unidad de tiempo. Generalmente se mide en hertzios (Hz) siendo un hertzio equivalente a una vibración por segundo. Por ello, también se utiliza 1/s como unidad para medir la frecuencia. Para conocer la frecuencia de una onda la dividimos en partes que van desde una "cresta" a la siguiente de forma que el número de crestas que pasa por un punto en cada segundo es la frecuencia. La frecuencia de una onda es la inversa de su período T (f = 1/T), que es el tiempo que tarda en avanzar una distancia igual a su longitud de onda. 2
3) Longitud de onda: La longitud de onda es un parámetro físico que indica el tamaño de una onda y que por lo general se denota con la letra griega lambda (λ). La longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas. Como todas las distancias, se mide en metros, aunque dada la gran variedad de longitudes de onda que existen suelen usarse múltiplos como el kilómetro (para ondas largas como las de radio y televisión) o submúltiplos como el nanómetro o el Angstrom (para ondas cortas como la radiación visible o los rayos X). 4) Rapidez de propagación: Es la rapidez con que se propaga la onda. Se calcula utilizando la siguiente ecuación: V= λ*f V= λ/t Donde: V= velocidad λ = longitud de onda f = frecuencia T= período 3
EL SONIDO Vibración y Sonido En el mundo en que vivimos podemos percibir que estamos rodeados de distintos sonidos. En la práctica, podemos observar que estos sonidos provienen de algún cuerpo que vibra, ya sea sólido, líquido o gaseoso. Esta vibración se transmite a los objetos con los que están haciendo contacto. Las vibraciones que se transmiten por el aire hacen vibrar nuestros tímpanos, estos trasmiten el movimiento a la cadena de huesecillos, donde son percibidos por nuestro sistema nervioso, produciendo finalmente la sensación sonora. Como, el sonido responde a las siguientes características: Es una onda mecánica.: Una onda mecánica es una perturbación tensional que se propaga a lo largo de un medio material para propagarse. Es una onda longitudinal: Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Es una onda esférica : Una onda esférica, en física, es aquella onda tridimensional que se propaga a la misma velocidad en todas direcciones. Se llama onda esférica porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas, cuyos centros coinciden con la posición de la fuente de perturbación. Las ondas sonoras son ondas esféricas cuando se propagan a través de un medio homogéneo, como el aire o el agua en reposo. Modo de propagación: El sonido (las ondas sonoras) son ondas mecánicas elásticas longitudinales u ondas de compresión. Eso significa que: Para propagarse precisan de un medio (aire, agua, cuerpo sólido) que trasmita la perturbación (viaja más rápido en los sólidos, luego en los líquidos, aun más lento en el aire, y en el vacío no se propaga). Es el propio medio el que produce y propicia la propagación de estas ondas con su compresión y expansión. Para que pueda 4
comprimirse y expandirse es imprescindible que éste sea un medio elástico, ya que un cuerpo totalmente rígido no permite que las vibraciones se transmitan. Así pues, sin medio elástico no habría sonido, ya que las ondas sonoras no se propagan en el vacío. Por ello, deben existir dos factores para que exista el sonido: * Una fuente de vibración mecánica. * Un medio elástico a través del cual se propague la perturbación. Cualidades del sonido: Al escuchar un sonido, podemos diferenciarlo entre agudo o grave, agradable o molesto, apagados o ruidosos. Las cualidades que les dan estas características son: Intensidad Cualidades del sonido Altura o tono Timbre Analizaremos cada una de estas características en detalle: a) Intensidad: Si hacemos vibrar la cuerda de una guitarra percibimos un sonido, pero si hacemos vibrar la misma cuerda con mayor fuerza, percibimos el mismo sonido con mayor intensidad; lo mismo ocurre al golpear una campana, mientras mayor es la fuerza que aplicamos, más intenso es el sonido. Cuando elevamos el volumen de la radio o del televisor, lo que hacemos es aumentar la intensidad del sonido. La intensidad de un sonido depende de la magnitud de las vibraciones del cuerpo que las produce, y cuando hablamos de magnitud de la vibración, nos referimos a su amplitud, a mayor amplitud, sonido más intenso. 5
b) Altura o tono: Si ahora hacemos sonar las diferentes cuerdas de una guitarra con igual intensidad, notaremos que los sonidos son diferentes, unos más agudos y otros más bajos. Entonces se dice que tienen diferentes alturas o tono. La altura de un sonido depende del número de oscilaciones por segundo (frecuencia) del cuerpo en vibración. A medida que aumenta la vibración de un cuerpo, mayor es la frecuencia, a mayor frecuencia, sonido más alto (más agudo). c) Timbre: Una misma nota musical producida con la misma intensidad y altura por un piano y un violín no suenan igual, esto se debe a la cualidad llamada timbre. El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre dos sonidos de la misma intensidad y altura. Casi nunca se puede producir un sonido puro, siempre se producen otros que lo acompañan. Algunos de estos se llaman armónicos. El timbre depende de los sonidos armónicos que acompañan al principal. Por ejemplo, la nota emitida por un piano es el resultado de la vibración no únicamente de la cuerda accionada, sino también de algunas otras partes del piano (madera, columnas de aire, otras cuerdas, etc.) las cuales vibran junto con ella y le da su sonido característico, y es por eso que suena distinto a un violín u otro instrumento que toque la misma nota. Rapidez de propagación del sonido Como el sonido es una vibración, calculamos su rapidez de propagación con la misma fórmula que calculamos la velocidad de propagación de las ondas. V= λ*f V= λ/t La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se transmite dicha propagación; presión, temperatura, humedad, entre otros. y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos mayor que en los gases: En el agua es de 1.600 m/s. En la madera es de 3.900 m/s. En el acero es de 6.000 m/s. 6
La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20º) es de 340 m/s Fenómenos físicos que afectan a la propagación del sonido 1) Reflexión: Se da cuando una onda retorna al propio medio de propagación tras incidir sobre una superficie. Cuando una forma de energía, como la luz o el sonido, se transmite por un medio y llega a un medio diferente, lo normal es que parte de la energía penetre en el segundo medio y parte sea reflejada. Las superficies rugosas reflejan en muchas direcciones, y en este caso se habla de reflexión difusa. Para reflejar un tren de ondas, la superficie reflectante debe ser más ancha que media longitud de onda de las ondas incidentes. Onda reflejada Emisor Objeto Onda original ECO: Es una repetición del sonido, producido por la reflexión del sonido en un objeto, por lo tanto un eco es una onda sonora reflejada. El intervalo de tiempo entre la emisión y la repetición del sonido corresponde al tiempo que tardan las ondas en llegar al obstáculo y volver. Generalmente el eco es de representación débil porque no todas las ondas del sonido original se reflejan. Los ecos escuchados en las montañas se producen cuando las ondas sonoras rebotan en grandes superficies alejadas más de 30 m de la fuente. 2) Refracción: Es un fenómeno que afecta a la propagación del sonido. Es la desviación que sufren las ondas en la dirección de su propagación, cuando el sonido pasa de un medio a otro diferente. La refracción se debe a que al cambiar de medio, cambia la velocidad de propagación del sonido. La refracción también puede producirse dentro de un mismo medio, cuando las características de este son homogéneas, por ejemplo, cuando de un punto a otro de un medio aumenta o disminuye la temperatura. 7
3) Absorción: La capacidad de absorción del sonido de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada por el mismo. Es un valor que varía entre 0 (toda la energía se refleja) y 1 (toda la energía es absorbida). 4) Transmisión: La velocidad con que se transmite el sonido depende, principalmente, de la elasticidad del medio, es decir, de su capacidad para recuperar su forma inicial. El acero es un medio muy elástico, en contraste con la plasticina, que no lo es. Otros factores que influyen son la temperatura y la densidad. Cuando se produce la vibración sonora, el sonido no llega a nuestros oídos de inmediato, sino que tiene que encontrar un camino para poder llegar. MEDIOS DE TRANSMISIÓN AIRE: cuando hablamos el sonido se transmite por el aire AGUA: las ballenas transmiten sus sonidos a través del agua SÓLIDOS: golpeando la madera con los dedos, se transmite por medio sólido 5) Difracción o dispersión: Si el sonido encuentra un obstáculo en su dirección de propagación, es capaz de rodearlo y seguir propagándose. En esta imagen, puedes descubrir cuál línea corresponde a la difracción, cuál a la refracción y cuál a la reflexión? 8
6) Difusión: Si la superficie donde se produce la reflexión presenta alguna rugosidad, la onda reflejada no sólo sigue una dirección sino que se descompone en múltiples ondas. Efecto doppler: consiste en la variación de la longitud de onda de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento. Confirma que el tono de un Sonido emitido por una fuente que se aproxima al observador es más agudo que si la fuente se aleja Ejercicios: 1) Una onda periódica recorre una distancia de 36 Km en ½ hora. Calcular su rapidez de propagación en metros por segundo. 3) La rapidez de propagación de una onda es de 12 m/s. Calcular en segundos el tiempo que emplea en recorrer una distancia de 2,4 Km 5) Si la rapidez de propagación de una onda es 40 m/s y su período es de 0,5s. Cuál es su longitud de onda? 7) La siguiente figura representa una onda que se demora 3s en recorrer de A a B (de 2) La rapidez de propagación de una onda es 15 m/s. Calcular en metros la distancia que recorre en ¼ de hora. 4) a) si el período de una onda es T=0,25s Cuál es su frecuencia? b) si la frecuencia de una onda es f= 200 Hz. cuál es su período? 6) La rapidez de propagación de una onda es de 20 m/s y su longitud de onda es 0,4 m. Cuál es su frecuencia? 8) Representa en un mismo gráfico: 9
A a B hay 60 cm) A Determinar: a) Rapidez b) Longitud de onda c) Período B a) Dos ondas que se propaguen en el mismo medio, a distintas velocidades. (Manteniendo constante la longitud de onda) b) Dos ondas que se propaguen en el mismo medio, a distintas velocidades. (manteniendo constante la frecuencia) c) Dos ondas que se propaguen a la misma velocidad y distinta amplitud. d) Frecuencia 9) Si la velocidad del sonido en el aire a una temperatura de 20º es de 340 m/s y se ha comprobado experimentalmente que la velocidad del sonido en el aire aumenta aproximadamente en 0,6 m/s por cada grado Celsius que aumenta la temperatura en el aire (medio ambiente). Calcule la rapidez de propagación del sonido en el aire cuando. a) T= 15ºC 10) a)si Valeria está escuchando música en su pieza y su mamá le pide que baje el volumen de la música. Qué ocurre con las ondas cuando Valeria gira la perilla para bajar el volumen? b) Si Edmundo Varas habla más agudo que Álvaro Balero. Qué diferencia podríamos apreciar en las ondas del sonido que emiten sus voces? b)32ºc 10