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U N I DA D E D U C AT I V A “ A L B E R T O ENRIQUEZ”

ONDAS Y SONIDO

K AT H E R I N E B E N AV I D E S DR.ANIBAL CADENA 03/01/2014


1. ONDAS ONDA Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío.

Tipos de ondas A) Según la dirección de vibración de las partículas y de propagación de la onda. •Longitudinales. Son aquellas en que las partículas vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda. Ej. El sonido, ondas sísmicas. •Transversales. Son aquellas en las que las partículas vibran perpendicularmente a la dirección en la que se propaga la onda. Ej. La luz, onda de una cuerda.

B) Según la dimensión de propagación de la onda. •Unidimensionales. Las que se propagan en una sola dimensión. Ej. Vibración de una cuerda. •Bidimensionales. Las que se propagan en dos dimensiones. Ej. Onda en la superficie del agua. •Tridimensionales. Las que se propagan en tres dimensiones. Ej. Luz, sonido. C) Según el medio que necesitan para propagarse. •Mecánicas. Necesitan propagarse a través de la materia. Ej. El sonido, olas del mar. •Electromagnéticas. No necesitan medio para propagarse, se pueden propagar en el vacío. Ej. La luz, calor radiante.


CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS

1. Amplitud de onda. (A) En una onda transversal, corresponde a la distancia máxima que se puede separar una partícula del medio que oscila, medida en forma perpendicular a la línea que representa la posición de equilibrio del medio. Se mide en unidades de longitud, preferentemente el metro (m). 2. Monte o cresta (C) y valle (V). El monte o cresta, es el punto que está más alejado de la posición de equilibrio del medio donde se propaga una onda. Suele representarse con esa nominación al punto que se dibuja en la parte de arriba de la onda. El valle también es el punto más alejado de la posición de equilibrio de una onda, pero en el lado opuesto al lugar donde se ubican los montes o crestas. 3. Longitud de onda. (λ) Corresponde a la distancia, en línea recta, entre dos puntos de una onda que tienen la misma posición relativa. Esto ocurre, por ejemplo, entre dos crestas sucesivas, o también entre dos valles sucesivos. Se mide en unidades de longitud, preferentemente el metro (m). 4. Periodo. (T) Corresponde al tiempo que tarda un punto, del medio donde se propaga la onda, en completar una oscilación. Se mide en unidades de tiempo, preferentemente el segundo (s).


También corresponde al tiempo que tarda una onda en propagarse una distancia equivalente a una longitud de onda. 5. Frecuencia. (f) La frecuencia corresponde a la cantidad de oscilaciones que ocurren en una unidad de tiempo. Si la unidad de tiempo es el segundo (s), la frecuencia se mide en Hertz, que se abrevia Hz. Entre periodo y frecuencia hay una relación matemática, y es: f = 1/T De la relación se entiende que 1 1Hz = 1/s La frecuencia y el periodo, son magnitudes inversamente proporcionales. 6. Velocidad de propagación. (v) Representa la distancia que recorre una onda en cada unidad de tiempo, se determina con la relación: v= λ/ T Y, como f = 1/T , la velocidad también se puede determinar con la relación: v = λf Y, si se conoce la distancia, d, que se propaga una onda y el tiempo, t, que tarda en hacerlo, también se puede determinar la velocidad de propagación de ella con la relación: v= d/ t 2.

FENÓMENOS ONDULATORIOS

REFLEXIÓN DE UNA ONDA Se denomina reflexión de una onda al cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión.


En la reflexión hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de reflexión al formado por la normal y el rayo reflejado. Las leyes de la reflexión dicen que el ángulo de incidencia es igual al ángulo dereflexión y que el rayo incidente, reflejado y la normal están en el mismo plano. REFACCIÓN DE LAS ONDAS Se denomina refracción de una onda al cambio de dirección y de velocidad que experimenta ésta cuando pasa de un medio a otro medio en el que puede propagarse. Cada medio se caracteriza por su índice de refracción. En la refracción hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo refractado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de refracción al formado por la normal y el rayo refractado. Cuando la onda pasa de un medio a otro en el que la onda viaja más rápido, el rayo refractado se acerca a la normal, mientras que si pasa de un medio a otro en el que la onda viaja a menos velocidad el rayo se aleja de la normal DIFACCION DE LAS ONDAS Se denomina difracción de una onda a la propiedad que tienen las ondas de rodear los obstáculos en determinadas condiciones. Cuando una onda llega a un obstáculo (abertura o punto material) de dimensiones similares a su longitud de onda, ésta se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Esto quiere decir, que cuando una onda llega a un obstáculo de dimensión similar a la longitud de onda, dicho obstáculo se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Cuanto más parecida es la longitud de onda al obstáculo mayor es el fenómeno de difracción.

INTERFERENCIA DE LAS ONDAS Se denomina interferencia a la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iniciales.


Destructiva: es la superposición de ondas en antifase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iniciales. 3. EL SONIDO: UNA ONDA LONGITUDINAL

¿COMO SE PRODUCE EL SONIDO?

No hay lugar en el planeta en donde no estemos libres de escuchar un sonido, los hay agradables, tantos como desagradables. El sonido se produce como resultado de la vibración de un cuerpo, que genera unas ondas de compresión en el medio que lo rodea, que al llegar a nuestros oídos transmiten esa energía, modulada en forma de impulso nervioso, hasta el cerebro. Cuando la vibración de origen es regular, el sonido tiene características "musicales" mientras que una vibración irregular suele tener características de "ruido". Son ondas longitudinales que se producen como consecuencia de una compresión del medio a lo largo de la dirección de propagación. El sonido, se propaga únicamente en medios materiales que hagan de soporte de la perturbación, por tanto, no se propaga en el vacío. Para que haya sonido deben de existir varios elementos: •

Un foco emisor que produzca las vibraciones.

Un medio material elástico que las propaga.

Un detector, que en el caso de los seres humanos y el resto de los animales es el oído.

OTROS DATOS • A medida que el tiempo pasa en el ser humano este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos. El sonido tiene una velocidad de 331,5 m/s cuando: la temperatura es de


0 ºC, la presión atmosférica es de 1 atm (nivel del mar) y se presenta una humedad relativa del aire de 0 % (Aire Seco) • La velocidad del sonido depende del medio en los cuales se propaga, cuando el sonido se desplaza en los sólidos tiene mayor velocidad que en los líquidos, y en los líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que las partículas en los sólidos están más cercanas. LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN El sonido, a diferencia de otras "perturbaciones" que se propagan en medios materiales, lo hace tridimensionalmente, es decir la "perturbación" llega a cualquier punto del espacio. Por ser una onda mecánica, la rapidez de su propagación depende del medio de propagación elástico. La velocidad de propagación de la perturbación, dependerá de la proximidad de las partículas del medio y de sus fuerzas de cohesión. Así, la velocidad de propagación será mucho mayor en los sólidos que en los líquidos, y sobre todo, que en los gases. A la presión normal de 1 atm y 20ºC, en un ambiente seco, la velocidad del sonido es de 5600 m/s en el acero, 1460 m/s en el agua y 340 m/s en el aire. ONDAS SONORAS Las ondas sonoras son ondas mecánicas longitudinales. Su propagación se produce gracias a la compresión y expansión del medio por el que se propagan. Un foco sonoro es algo que vibra y origina variaciones de presión que se propagan en un medio elástico.

CUALIDADES DEL SONIDO Intensidad La intensidad o el volumen es la cualidad que nos permite clasificar los sonidos en fuertes o débiles y esta relacionada directamente con la magnitud física “Intensidad de la onda” que es la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de superficie y unidad de tiempo. Tono El tono es una cualidad del sonido que nos permite clasificar los sonidos en altos y graves y esta relacionada directamente con la magnitud física “frecuencia”.Los sonidos graves son los de frecuencia baja y los sonidos altos son los de gran frecuencia. Timbre El timbre nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín aunque emitan la misma nota con la misma intensidad. En general, los sonidos no son de una sola frecuencia, los sonidos suelen tener una onda principal que va acompañada de otras ondas de menor amplitud llamadas armónicos cuya frecuencia es múltiplo de la onda principal; la suma de esas ondas da lugar a una onda que tiene una forma determinada. El timbre está relacionado con la forma de la onda. EFECTO DOOPLER


Un tren circula por un tramo de vía recta paralelo a una carretera a 90 Km/h hace sonar su silbato con una frecuencia de 500 Hz. En sentido contrario, acercándose al tren, circula un automóvil a 72 Km/h. ¿Con qué frecuencia oirá el conductor del coche el silbato del tren? Este efecto fue estudiado por Cristian Doppler, consiste en la variación del tono de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento.

CONTAMINACIÓN ACÚSTICA Se llama contaminación acústica al exceso de sonido que altera las condiciones normales del medio ambiente en una determinada zona. Si bien el ruido no se acumula, traslada o mantiene en el tiempo como las otras contaminaciones, también puede causar grandes daños en la calidad de vida de las personas si no se controla adecuadamente. El término contaminación acústica hace referencia al ruido excesivo y molesto, provocado por las actividades humanas (tráfico, industrias, locales de ocio, etc.), que produce efectos negativos sobre la salud auditiva, física y mental de las personas. APLICACIONES DE LAS ONDAS SONORAS Las ondas sonoras tienen muchas y variadas aplicaciones en la actualidad. Música: producción de sonido en instrumentos musicales y sistemas de afinación de la escala. Electroacústica: tratamiento electrónico del sonido, incluyendo la captación (micrófonos y estudios de grabación), procesamiento (efectos, filtrado comprensión, etc.) amplificación, grabación, producción (altavoces) etc. Acústica fisiológica: estudia el funcionamiento del aparato auditivo, desde la oreja a la corteza cerebral. Acústica fonética: análisis de las características acústicas del habla y sus aplicaciones. Arquitectura: tiene que ver tanto con diseño de las propiedades acústicas de un local a efectos de fidelidad de la escucha, como de las formas efectivas de aislar del ruido los locales habitados. 4. LA LUZ UNA ONDA TRANSVERSAL NATURALEZA DE LA LUZ La luz es una forma de energía emitida por los cuerpos y que nos permite percibirlos mediante la vista. Los objetos visibles pueden ser de dos tipos: Objetos luminosos y Objetos iluminados. La luz


que procede de un objeto visible se transmite mediante un movimiento ondulatorio hasta llegar a nuestros ojos. Desde allí se envía un estímulo al cerebro que lo interpreta como una imagen. La luz consiste en una forma de energía, emitida por los objetos luminosos, que se transmite mediante ondas electromagnéticas y es capaz de estimular el sentido de la vista. Las ondas electromagnéticas son transversales, pues las vibraciones de los campos eléctrico y magnético se producen en dirección perpendicular a la dirección de propagación. Las ondas electromagnéticas no requieren medio material para su propagación. Por eso, la luz del Sol llega a la Tierra después de recorrer una gran distancia en el vacío. PROPAGACIÓN DE LA LUZ La luz emitida por una fuente luminosa es capaz de llegar hasta otros objetos e iluminarlos. Este recorrido de la luz desde la fuente luminosa hasta los objetos, se denomina rayo luminoso.

La luz se propaga siempre: • En línea recta. • En todas las direcciones. • A gran velocidad, a 300.000 kilómetros por segundo.

Propagación de la Luz. Principios en los que se basa la propagación de la luz. 1. En un medio de composición y propiedades idénticas en todas sus direcciones, incluso en el vacío, la luz se propaga en forma de rayos siguiendo, cada uno de ellos, la línea recta. 2. Los rayos de luz se propagan independientemente unos de otros. 3. Un rayo de luz que sigue una trayectoria, puede recorrerla en sentido inverso posteriormente, siguiendo el mismo camino. •

Sabemos que el sol, las estrellas y otros astros se encuentran en el espacio vacio. Para que nosotros podamos verlos su luz debe cruzar este espacio, esto prueba el 1º principio. REFLEXIÓN DE LA LUZ La reflexión de la luz es el cambio de Dirección que experimentan sus rayos cuando chocan con algunas superficies. Este cambio de dirección es análogo al que experimenta una bola de billar al chocar con las bandas de la mesa. Supone que tenemos dos medios, A, al aire y B, el de una superficie sobre la que indice un rayo luminoso que al chocar con ella se refleja tomando otra dirección. Lo cual se explica en la imagen:


I: Rayo incidente es el que llega a la superficia de separación. R: Rayo reflejado es el que sale de la superficie de separación. N: Normar, recta imaginaria, perpendicular a la superficie de separacion O. î : Ángulo de incidencia formado por el rayo incidenteI con la normal N. ř: Ángulo de reflexión, en el que forma el rayo reflejado R con la normal N. Las dos leyes que rigen la reflexión de la luz son: 1º Ley: El rayo incidente, el reflejado y la normal están en un mismo plano. 2º Ley: El ángulo incidente y reflejado son iguales. REFRACCIÓN DE LA LUZ.

Definimos la refracción como el cambio de velocidad que experimenta el rayo luminoso al pasar de un medio A a otro B. Este cambio de velocidad provoa automáticamente una variación en la dirección de propagación, excepto cuando el rayo incidente es perpendicular a la superficie de separación, en cuyo caso el rayo incidente y el reflejado son el mismo. Leyes de la Refracción. 1º Ley: Los rayos incidentes I,refractados R y la normal Nestán en el mismo plano. 2º Ley: Considerando el llamado índice de refracción n, del segundo medio B, y que se define como el cociente entre los senos de los ángulos de incidencia î, y de refracción ř, es una cantidad constante: n = sen î sen ř DISPERSIÓN DE LA LUZ. ESPECTRO Conocemos como luz blanca a la que proviene del Sol. En algunas circunstancias, esa luz se descompone en varias franjas de colores llamadas arco iris. En realidad la luz blanca está formada por toda una gama de longitudes de onda, cada una correspondiente a un color, que van desde el rojo hasta el violeta. Como el índice de refracción de un material depende de la longitud de onda de la radiación incidente, si un rayo de luz blanca incide sobre un prisma óptico, cada radiación simple se refracta con un ángulo diferente. Ladispersión de la luz consiste en la separación de la luz en sus colores componentes por efecto de la refracción.


Así, las distintas radiaciones que componen la luz blanca emergen separadas del prisma formando una sucesión continua de colores que denominamos espectro de la luz blanca EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

Se denomina espec

tro

electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. Es el conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas en función de su energía. De mayor a menor energía (o de menor a mayor longitud de onda) tenemos: Rayos gamma, Rayos X, Ultravioleta, Visible, Infrarrojo, Ondas de radio y Microondas.


Ondas y sonido  
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