GUÍADE FÍSICA – EL SONIDO Y LAS ONDAS

Alumno(a): Curso: Nº lista:

Profesor(a):Cristian Silva

Unidad Temática: El Sonido y las Ondas Fecha entrega:

Contenido(s): Ondas, definición, clasificación y elementos que las componen. Sonido, definición y propiedades. Efecto Doppler.

Aprendizaje(s) Esperado(s): Comprender y distinguir conceptos asociados a ondas y sonido. Analizar diagramas para comprender la resolución de ejercicios aplicando los conocimientos enseñados.

Habilidades:

Instrucciones: Guía de estudio para reforzar lo aprendido en aula.

¿Qué son las ondas?

Una onda es una perturbaciónque avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Esta

perturbación puede ser originada por un cambio de densidad, presión, campo magnético o eléctrico del medio. Cuando

una se propaga, no transporta materia, sino energía.

Clasificación de las ondas

No todas las ondas se propagan de igual forma o en los mismos medios. Es por ello que se clasifican según distintos

criterios.

Primer criterio: Medio de propagación.

Ondas Mecánicas: precisan de un medio material para su propagación. Ejemplo: Las ondas sísmicas son ondas mecánicas, ya que tienen su origen en movimientos que se producen en el interior de la Tierra, los que se transmiten de partícula en partícula hasta llegar al exterior. Forma de transmisión: la vibración tiene la capacidad de hacer oscilar las partículas alrededor de la posición de equilibrio, transportando a las partículas contiguas las oscilaciones.

Ondas electromagnéticas: no precisan de un medio material para su propagación. Ejemplo: La luz visible, las microondas y los rayos infrarrojos y ultravioleta son ondas electromagnéticas. Forma de transmisión: se pueden propagar tanto por el vacío como por medios materiales, ya que vibra en ellas un campo eléctrico y un campo magnético.

Segundo criterio: dirección de vibración del medio.

Tercer criterio: extensión del medio.

Cuarto criterio: periodicidad de la onda.

Quinto criterio: dirección de propagación.

Ondas transversales: son aquellas cuya dirección de propagación es perpendicular a la dirección de oscilación de las partículas del medio. Las ondas electromagnéticas son siempre transversales. Ejemplo: Las perturbaciones de una cuerda o las olas del agua.

Ondas longitudinales:son aquellas cuya dirección de propagación es la misma que la dirección de la oscilación de las partículas del medio. Ejemplo:el sonido y algunas ondas sísmicas son ejemplos de ondas longitudinales.

Ondas viajeras:se propagan desde la fuente sin volver al punto inicial, salvo que se produzca una reflexión completa. Transportan la energía en un solo sentido. Ejemplo:el sonido, la luz y muchas otras ondas mecánicas y electromagnéticas.

Ondas estacionarias:aquí los pulsos quedan relegados a una determinada región del espacio, se forman al chocar dos ondas de la misma amplitud y que se propagan en la misma dirección, pero en sentido contrario. En la onda aparecen unos puntos fijos que nunca vibran, denominados nodos, y unas zonas de vibración, llamadas vientres. El punto medio entre dos nodos se denomina antinodo.

Ondas periódicas:corresponde a un tipo de onda en la que entre un pulso y otro hay un valor constante de tiempo o igual período. A las ondas periódicas también se les denomina ondas armónicas.

Ondas no periódicas:cuando los pulsos de una onda se generan en intervalos irregulares de tiempo, se dice que dicha onda es no periódica.

Ondas unidimensionales:son aquellas que se propagan en una sola dirección. Sus frentes de onda son planos y paralelos. Para la descripción completa de las ondas unidimensionales debemos conocer únicamente la distancia al foco emisor. Así podremos saber el estado de vibración en cada punto de la dirección de vibración. Ejemplo: ondas que se generan en una cuerda cuando la agitamos verticalmente.

Ondas bidimensionales y tridimensionales:las ondas bidimensionales o superficiales son las que se propagan en dos dimensiones, mientras que las tridimensionales o esféricas lo hacen en tres dimensiones. Ejemplo: las ondas de los movimientos del agua son bidimensionales y las ondas sonoras y electromagnéticas son tridimensionales.

Elementos espaciales de las ondas

Los elementos espaciales de una onda corresponden a aquellos que expresan la distancia entre dos puntos

determinados de una onda. Por esta razón son medidos en metros (m).

La siguiente gráfica representa un movimiento ondulatorio en el que se indican sus partes. Entre estas se pueden

distinguir las siguientes.

A partir de la representación gráfica de una onda, también es posible deducir magnitudes relacionadas con el tiempo.

Elementos temporales de las ondas

Amplitud (A):es la distancia máxima que puede separarse de su línea de equilibrio las partículas que están realizando un movimiento vibratorio. En el Sistema Internacional (SI), se mide en metros.

Monte o cresta:es la posición más alta que adoptanlas partículas del medio respecto de la posición de equilibrio que presenta el movimiento ondulatorio.

Longitud de onda (λ):es la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda quese comportan de igual forma o poseen la misma fase.

Valle: les la posición más alta que adoptan las partículas del medio respecto de la posición de equilibrio que presenta el movimiento ondulatorio.

Fase:se dice que dos partículas están en fase cuando se encentran en la misma posición relativa. En la imagen los puntos V están en fase.

𝑇 =1

𝑓

Periodo (T): es el tiempo que emplea una partícula en hacer una oscilación completa o ciclo. También se define como el tiempo en que una partícula vuelve a estar en su misma posición relativa. Según el SI, se mide en segundos.

Es inversamente proporcional a la frecuencia.

Propiedades de las ondas

Cuando las ondas interactúan con determinados obstáculos, algunas de sus características, como la dirección o la

rapidez, se modifican. Dichos cambios obedecen a determinadas leyes y principios físicos.

Refracción: cuando una onda pasa de un medio a otro con densidad diferente, experimenta un cambio en su velocidad de propagación y, por consiguiente, en su dirección (siempre que el ángulo de incidencia sea distinto de 0°). Si la onda incide en un ángulo αi sobre la superficie que separa dos medios de diferente densidad, entonces experimenta un cambio en su dirección. La variación en la dirección de la onda es representada por el ángulo de refracción αR, el que se mide respecto de la normal (N). Durante la refracción, la frecuencia de la onda se mantiene constante; así, para que su velocidad varíe, debe cambiar su longitud de onda.

Reflexión: ocurre cuando una onda incide en el límite de separación de dos medios diferentes y parte de ella es redireccionada hacia el medio por el cual se propagaba originalmente. La línea imaginaria denominada normal (N), es perpendicular a la superficie de separación entre ambos medios y se encuentra en el mismo plano que el frente de ondas incidente. Si dicho frente incide sobre la superficie en un ángulo αi respecto de la normal, entonces el frente de onda reflejado formará un ángulo αr respecto de la línea normal. Propiedades:

La onda incidente, la onda reflejada y la normal están en un mismo plano.

El ángulo de incidencia (αi) y el ángulo de reflexión (αr) son de igual medida.

Difracción: cuando una onda atraviesa una abertura cuyo tamaño es aproximadamente similar a la longitud de la onda, en dicha abertura se produce un nuevo foco emisor, a partir del cual la onda se propaga en múltiples direcciones.

𝑣 =λ

𝑇= λ ∗ f

Rapidez de propagación (v): indica la razón de cambio entre la distancia recorrida y el tiempo empleado en hacerlo. La rapidez de la onda se mide en m/s.

𝑓 =𝑐𝑖𝑙𝑐𝑜𝑠

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

Frecuencia (f): es el número de oscilaciones completas que da una partícula en una unidad de tiempo. Su unidad en el SI es el Hertz (Hz), que corresponde al número de oscilaciones por cada segundo. Matemáticamente se expresa como:

El sonido

Es una onda mecánica, pues se propaga únicamente en presencia de un medio material que haga de soporte de la

perturbación. También es una onda longitudinal, porque las partículas del medio vibran en la misma dirección que la

propagación de la onda sonora.

La acústica es un área de la física que se encarga del estudio de la producción, propagación y recepción del sonido,

además de las leyes y principios que involucran.

El sonido tiene su origen en la vibración de un foco emisor. Un foco emisor es aquel que genera una perturbación en un

medio de propagación, la que se transmite a través de la vibración de las partículas que la rodean hasta llegar a un

receptor de ondas sonoras.

Propagación del sonido

La vibración es transmitida por las partículas mediante compresiones y rarefacciones al resto de las partículas hasta que

nuestros oídos, es decir, los receptores de ondas sonoras, la reciben.

El sonido se propaga por la vibración de las partículas del medio. La energía sonora se disipa porque parte de ella es

absorbida gradualmente en el medio de propagación hasta que se vuelve imperceptible.

Mecanismo de propagación del sonido

Las ondas sonoras estimulan el oído humano para así producir la sensación sonora. El estudio del sonido se debe tratar

mediante los aspectos físicos y los aspectos fisiológicos relacionados con la audición.

Las ondas de sonido son como las que se propagan al estirar un resorte, el cual se comprime y expande para transmitir

la propagación. En las zonas de máxima amplitud de la ondulación las partículas se comprimen y en las de mínima

amplitud se separan. Estas zonas se denominan de compresión y rarefacción.

Ejemplo: cuando un insecto pasa volando cerca de nuestro oído, percibimos un zumbido que procede del

movimiento de sus alas. El foco emisor, en este caso, son las alas del insecto, cuya vibración se ha transmitido a las

partículas del aire (medio de propagación) y, desde estas, a nuestros oídos (receptos de ondas sonoras).

Lo que nos llega no es el movimiento del aire que rodea a las alas, ya que, en ese caso, lo que percibiríamos sería una

pequeña corriente de aire. En realidad, lo que notamos es la transmisión del sonido mediante una onda.

Como percibimos el sonido

Fisiológicamente el sonido solo existe solo cuando hay un oído capaz de percibirlo. El ser humano puede percibir las

ondas sonoras gracias al oído, el cual transforma una onda mecánica (señal acústica) en una señal eléctrica (impulso

nervioso), por esto se le considera un transductor mecano-eléctrico.

El oído se divide en oído externo, medio e interno. En el oído externo la onda sonora es captada por el pabellón auricular

y dirigida hacia el canal auditivo. En el oído medio el tímpano, una membrana elástica, vibra por las diferencias de

presión de la onda sonora, la vibración es transmitida hacia un conjunto de pequeños huesos, el martillo, el yunque y el

estribo, los que se encargan de amplificar mecánicamente la vibración del tímpano. En el oído interno el estribo empuja

y tira de la ventana oval, que es una membrana del caracol, dichos movimientos transfieren su vibración al órgano de

Corti, de esta manera transfieren impulsos nerviosos (señales eléctricas) que viajan por el nervio auditivo hasta el

cerebro donde es interpretada como un sonido.

Espectro de audición

Corresponde al sonido que puede captar el oído humano, este se encuentra entre 20 Hz y 20000 Hz (20 kHz).

Los sonidos ubicados sobre los 20 kHz se conocen como ultrasonidos y son imperceptibles por el oído humano. A los

sonidos ubicados bajo los 20 Hz se les denomina infrasonidos y sus longitudes de onda van desde los 17 m a los 30 km.

Características del sonido

Representan las cualidades que podemos distinguir de él, mediante nuestro sentido de la audición.

La rapidez del sonido

La rapidez con la que se propaga el sonido depende de las propiedades del medio donde esta onda se desplaza, como la

elasticidad, la densidad y la temperatura.

En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos; y a su vez, es mayor en los líquidos que en

los gases.

En sólidos y líquidos, no experimenta variaciones significativas con los cambios de temperatura. Sin embargo, en los

gases varía de manera considerable al cambiar la temperatura. Esto se debe a que, al aumentar la temperatura de un

gas, las partículas se mueven con mayor rapidez y en todas las direcciones, lo que incide directamente en el

desplazamiento de una onda sonora a través de él.

La rapidez del sonido en el aire que respiramos es una función de la temperatura, cuyo modelo matemático es el

siguiente.

𝑣 = 331 ∗ 1 +𝑇

273

Donde T es la temperatura medida en grados Celsius (°C) y v es la rapidez en m/s.

Tono:permite diferenciar entre sonidos graves y agudos, está relacionado con la frecuencia. A mayor número de vibraciones por segundo, más agudo es el sonido; y a menor número de vibraciones, más grave.

Intensidad:tiene relación con la cantidad de sensación auditiva que produce un sonido y es la característica que nos ayuda a percibir un sonido como fuerte o débil. La intensidad depende de la energía que transporta la onda, y es mayor cuanto mayor es su amplitud. También depende de la distancia al foco emisor.

Timbre:permite que el oído humano distinguir dos sonidos de la misma frecuencia e intensidad que son emitidos por distintos focos emisores. En música nos permite distinguir la misma nota emitida por diferentes instrumentos. El timbre de los distintos instrumentos se compone de un sonido fundamental más toda una serie de sonidos que son múltiplos de la frecuencia fundamental y que se conoces como sonidos armónicos.

Propiedades de las ondas sonoras

Como el sonido es un fenómeno ondulatorio, todas las propiedades de las ondas pueden ser verificadas en él.

El eco: este fenómeno se relaciona con la reflexión del sonido y se produce cuando una onda sonora que es emitida se refleja y regresa a la fuente que la generó. Para que se produzca, la superficie reflectante debe encontrarse lo suficientemente lejos, dado que entre la onda emitida y reflejada debe existir un desfase de tiempo perceptible, como mínimo de 0.1 segundos.

Reflexión del sonido: una onda sonora se refleja mejor sobre ciertas superficies. Esto se debe a que, cuando la energíatransportada por una onda sonora incide sobre una superficie, una parte de ella es devuelta al medio mediante la reflexión y otra parte es absorbida por la superficie. La energía absorbida, a su vez, se transforma en energía transmitida y energía disipada. En la reflexión del sonido se cumple que el ángulo (respecto de la normal), en el que incide cierto frente de ondas sobre una superficie, es de igual medida que el ángulo en donde se refleja.

La reverberación: este fenómeno también se relaciona con la reflexión y corresponde a la persistenciadel sonido una vez que la fuente sonora ha dejadode emitirlo. La reverberación se produce cuando un frente de ondassonoras se refleja en el techo, en el suelo y enlas paredes de un recinto cerrado. Las ondassonoras que experimentan reverberación sufren unproceso de “deformación”.

Absorción de sonido: se produce cuando parte de la energía sonoraque incide sobre una determinada superficie queda confinada en ella. Una superficie absorberá mejor el sonido mientras más porosa sea, yaque las pequeñas cavidades e intersticios que posee “atrapan el sonido”.

Resonancia: la mayoría de los cuerpos que vibran lohacen siempre con una frecuencia característica, denominada frecuenciapropia o frecuencia natural. La resonancia transmite las vibraciones de un cuerpo a otro sin que estén en contacto directo y ocurresiempre que la frecuencia natural de ambos objetos sea la misma. Enel fenómeno de resonancia acústica, la vibración de uno de los cuerposse transmite por el aire (o material que los conecta) como ondas de presión, y su energía hace que el otrocomience a vibrar, dado que su frecuencia natural coincide con la frecuenciade la vibración original.

El efecto Doppler

El sonido emitido por un foco en movimiento que se acerca a alguien se percibe más agudo (con más frecuencia) que

cuando el foco se encuentra en reposo. Y, al contrario, cuando el foco se aleja, se oye un sonido más grave (de menor

frecuencia). El paso de una ambulancia frente a un observador estático ilustra perfectamente este fenómeno. Contamos

con 3 casos a tomar en cuenta en el efecto Doppler.

Observador en movimiento y foco fijo: en este caso lo que varía no es la longitud de onda, sino la rapidez con la que ella se percibe. Cuando el observador se acerca se percibe un aumento en la rapidez, mientras que al alejarse de percibe una disminución.

Observador fijo y foco en movimiento: cuando el foco se acerca, la longitud de onda que percibe el observador se hace más pequeña que la emitida por el foco. En el caso contrario, cuando el foco se aleja del observador, la longitud de onda percibida es más larga.

Observador y foco en movimiento: se produce una variación en la longitud de onda y una variación de la frecuencia.

Refracción del sonido: la refracción del sonido puede ocurrir en un mismo medio siempre y cuando este no sea completamente homogéneo, eso quiere decir que en el mismo medio se presenten características diferentes.Esto ocurre, por ejemplo, en el aire. En un día caluroso, un sonido generado a lo lejospuede no ser percibidopor nosotros. Esto se debea que las capas de airecercanas a la superficieterrestre están a mayortemperatura que las capasmás altas. Como la rapidezdel sonido aumenta conla temperatura, las ondassonoras se refractan y sedesvían hacia arriba. En un día frío, el sonidogenerado a lo lejos puedeser percibido por nosotros.Esto se debe a que lascapas de aire cercanas ala superficie terrestre seenfrían más rápidamenteque las capas superiores.De este modo, el sonido se refracta y se desvía haciaabajo.