ACTIVIDAD CON NOTA AL LIBROGUIA DE ONDAS Y SONIDOS A LEER Y FINALMENTE ENVIAR :

PROFESORA ALICIA ACUÑA ROZAS y HÉCTOR PALMA A.DEP.DE FISICA

APRENDIZAJE ESPERADO:1. Definir el concepto de onda y sonido 2. Reconocer las características de una onda3. Indicar los medios de propagación de las ondas según su clasificación y del sonido4. Obtener las propiedades del sonido.

LAS VIBRACIONES: Al hablar y cantar producimos sonidos, también se usa un instrumento musical, ya sea de

viento, cuerdas o de percusión. El sonido siempre se produce debido a una vibración, pero las vibraciones no siempre producen sonidos

Si se da un golpe en los palillos en uno de los platillos de la batería, o un golpe en una mesa o cualquier superficie, estos cuerpos realizan un movimiento de vaivén, de un lado para el otro, entorno a un punto central. Como lo puedes observar en toda su magnitud en la gelatina. A este tipo de movimiento se le llama vibración. Un cuerpo que vibra se aleja de su posición de equilibrio hasta un punto extremo, al cual se le llama amplitud que es la distancia que hay entre la posición de equilibrio y la posición extrema del cuerpo que vibra.

La vibración completa del cuerpo se da cuando el cuerpo parte de una posición y retorna al mismo punto. Por ejemplo un péndulo.

En el péndulo se produce una amplitud en cada uno de los lados del punto deequilibrio. Entre el punto de equilibrio y el punto B’ (amplitud positiva) y entre el punto de equilibrio y el punto B (amplitud negativa)

En una vibración se produceuna amplitud para arriba y para abajo una entre el punto de equilibrio y el punto B’ (amplitud positiva) y entre el punto de equilibrio y el punto B (amplitud negativa)

DESCRIPCIÓN DE LAS VIBRACIONES:

A la distancia entre la posición de equilibrio y la posición de máximo alejamiento se le denomina amplitud de la oscilación o de la vibración. También se dice que es el tiempo que tarde un péndulo en ir y volver a la posición de máximo alejamiento se le llama período de la vibración, al número de vibraciones que se realizan en un cierto intervalo de tiempo se le llama frecuencia, magnitud que indica la velocidad de la vibración.

Las ondas son una perturbación del medio en el cual se propagan, lo pueden hacer a grandes distancias, a lo largo de un mismo medio o pasando de un medio a otro.

En la propagación de un pulso o una onda, no hay transporte de materia; lo que se transmite es una perturbación o una señal portadora de información. Es decir, las ondas transportan energía y no-materia.

Para originar una perturbación se requiere la realización de un trabajo o una transferencia de energía. Captar una señal requiere activar sistemas detectores y procesos de transformación de energía.

Las oscilaciones de las partículas del medio permiten la transmisión de una onda, lo que nos indica que una onda transporta energía. La energía de las ondas de agua, por lo general, proviene de una tormenta muy lejana y la energía de la tormenta, a su vez, viene del calentamiento de la superficie terrestre por el Sol. Esta energía se transporta a la tierra por medio de ondas electromagnéticas.

Las ondas se clasifican de varias maneras según su naturaleza

ONDAS MECÁNICAS : son las que necesitan un medio material para propagarse como el agua, el aire, una cuerda un resorte, etc.Estas ondas se dividen en tres tipos, donde cada una de ellas perturban el medio de forma diferente:

a) Ondas Transversales.b) Ondas Longitudinales.c) Ondas Superficiales.

Figura Nº 2Figura Nº 1

1

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS : son las no necesariamente necesitan un medio material para propagarse, ya que también se propagan en el vacío.

Si las ondas se clasifican según el movimiento de las partículas que vibran las ondas más comunes son:

ONDAS TRANSVERSALES : tienen su origen en una perturbación mecánica, aún cuando su perturbación también puede ser de origen electromagnético. Como es el caso de las ondas luminosas Las partículas oscilan en torno a su posición de equilibrio. Para que las ondas transversales de origen mecánico se propaguen en un medio este debe poseer “elasticidad de forma” , es decir fuerzas elásticas de reacción o recuperadoras como la que existe en una lamina de acero sujeta en un extremo, en un alambre que se retuerce. Lo que es propio de los sólidos. Esto no sucede en los fluidos es por esta razón que las ondas transversales no se propagan ni en gases ni líquidos.

Sin duda que a muchos le llamará la atención esto último en lo referente a los líquidos al pensar en la formación de las olas, en verdad en los líquidos hay propagación de ondas transversales pero sólo en la superficie libre debido a la fuerza de gravedad y a la tensión superficial.

Llamaremos ONDAS TRANSVERSALES a las que generan en las partículas del medio de propagación, oscilaciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda, como es el caso de las ondas luminosas.

Las ondas transversales son de dos dimensiones (X , Y) en X se ve el movimiento de propagación de la onda y en Y el movimiento de vibración de las partículas-

Y Movimiento de vibración de las partículas X Movimiento de propagación de la onda

Las ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS son ondas transversales que se originan en el movimiento oscilatorio de partículas cargadas pertenecientes a estructuras nucleares, atómicas o moleculares, como ocurre en cuerpos que se encuentran a muy alta temperatura o en las antenas emisoras de las estaciones de radio y televisión.

ONDAS LONGITUDINALES : En este tipo de onda las partículas oscilan en la misma dirección en que se propaga la onda.

Llamaremos ONDAS LONGITUDINALES a las que generan, en las partículas del medio, oscilaciones en la misma dirección de propagación de la onda.

Las ondas longitudinales son ondas de una sola dimensión, ya que la vibración y la propagación de la onda se producen en la misma dirección ( X )

El movimiento en las partículas de la superficie de un liquido al formarse olas es una combinación de una onda transversal y longitudinal, de modo que cada partícula describe una trayectoria circular o elíptica. En las capas profundas desaparecen la componente vertical ( Y ) debido a la gran presión hidrostática. Los sólidos, líquidos y gases son medios elásticos, apropiados para la propagación de las ondas longitudinales. En cambio, las ondas transversales no pueden propagarse en los fluidos por carecer estos de fuerzas tangenciales reciprocas, que se opongan al desplazamiento de las

valle

Figura Nº 3Las ondas que se propagan a lo largo de una cuerda o un resorte o una manguera.

Compresiones Figura Nº 4Onda longitudinal que se propaga en un resorte, en un péndulo, etc.

Enrarecimientos

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moléculas, ni las fuerzas elásticas necesarias que lleven a las partículas de nuevo a su posición de equilibrio.

ONDAS SUPERFICIALES : Son una mezcla de ondas transversales y longitudinales.

EL SENTIDO DE PROPAGACIÓN: es de acuerdo al sentido en que avanza la propagación, las ondas y se pueden clasificar de la siguiente manera:

ONDAS VIAJERAS: La luz que nos llega del Sol viaja desde esta estrella hasta nosotros, pero no se devuelven. En ellas la propagación de la onda se realiza en un sentido único. Esto quiere decir, que ellas viajan siempre hacia un mismo lugar sin devolverse. Ejemplo las ondas de televisión que emite la antena de un canal en Santiago se propaga para las demás antenas que están a lo largo de todo Chile. Este tipo de onda se propagan en forma libre por el espacio o por su medio pudiendo, en algunos casos, recorrer grandes distancias como lo hace la luz a través del Universo.

ONDAS ESTACIONARIAS : Resultan de dos ondas viajeras que se propagan en sentidos contrarios, o en discordancia de fase. Una onda estacionaria se forma cuando una onda viejera incide sobre un punto fijo, obligándola a devolverse en sentido contrario, pero invertida con respecto de la primera. Ambas ondas, la incidente y la reflejada, se combinan en forma precisa, dando origen a una onda que pareciera estar detenida con lugares de vibración nula, a los cuales se les llama NODOS y otros de vibración máxima, que se producen cuando coinciden dos amplitudes una positiva y la otra negativa llamados ANTINODOS. Este tipo de ondas se producen en los instrumentos musicales de cuerdas como la guitarra y en algunos de vientos como la zampoña.

NODOS

ESTADO DE EQUILIBRIO

ANTINODOS

Figura Nº 5

3

ELEMENTOS DE CUALQUIER ONDA:

ONDA PERIÓDICA: En estas ondas las oscilaciones de las partículas se producen a intervalos regulares (iguales) de tiempo. Este tiempo se conoce como período de la oscilación.Aunque existen distintos tipos de ondas, todas ellas tienen características en común. Como es más sencillo reconocer los componentes de una onda transversal, se usara como ejemplo lo que valido también para las ondas longitudinales.

PERIODO (T): es el tiempo en que cada partícula efectúa una oscilación completa.

2

1 3 5

4

De 1 a 2 se cumple ¼ de período De 1 a 3 se cumple ½ período De 1 a 4 se cumple ¾ de período De 1 a 5 se cumple 1 período

completo

FRECUENCIA (f): Es el número de vibraciones u oscilaciones efectuadas en la unidad de tiempo. Puede decirse también, es el número de ciclos formados en la unidad de tiempo.Se mide en: Vibraciones oscilaciones ciclos

= = = hertz = (Hz) Segundo segundo segundo

El período y la frecuencia están estrechamente relacionadas entre sí, ya que el período es el valor reciproco de la frecuencia y viceversa, es decir son el inverso multiplicativo entre ellos.

Para ver la relación matemática que existe entre estos dos conceptos, resulta conveniente basarse en un ejemplo concreto:

Alberto sujeta una hoja de sierra en el borde de la mesa y la hace vibrar como lo indica la fig. 2 Para determinar su frecuencia, mide el número de oscilaciones que efectúa en 10 (s). Encontrara que la sierra efectúa 20 oscilaciones en ese tiempo.

Si tomamos el “segundo” como unidad de tiempo, la frecuencia será el número de oscilaciones efectúas en cada segundo. En este caso, la frecuencia de vibración de la hoja de sierra resulta ser de 2 osc./s o 2 (Hz).Ahora bien, si la hoja realiza 2 oscilaciones en un segundo, entonces deberá demorar 0.5 (s) en efectuar cada oscilación. Es decir, el período de oscilación de la hoja de sierra es 0.5 (s).

Observe que, en este caso, el valor numérico del período es justamente el reciproco del valor numérico de la frecuencia. En efecto: 0.5 es el valor reciproco de 2.

¿Será esto válido para cualquier fenómeno periódico? VeamosSupongamos que la hoja de sierra efectúa n oscilaciones en un tiempo t. En el caso de las

mediciones hechas por Alberto, n = 20 oscilaciones y t = 10 (s).

En la fig.a). Se muestra una cuerda que esta en equilibrio, y en uno de sus extremos está fija.En la fig. b). Se le ha dado un pulso a la cuerda haciendo que la partícula foco (1) se alejó un máximo hacia arriba, la energía alcanza a la partícula (2), que va ha comenzar a moverse, el resto está en reposo. Se ha completado 1/4 de período. Y se forma 1/4 de Longitud de onda.En la fig. c). La partícula foco (1) se encuentra en la posición de equilibrio, la partícula (2) se alejó un máximo hacia arriba, la energía alcanza a la partícula (3), que va ha comenzar a moverse, el resto está en reposo. Se ha completado 1/2 de período. Y se forma 1/2 de Longitud de onda.En la fig.d). La partícula foco (1) se alejó un máximo hacia abajo, la partícula (2) se encuentra en la posición de equilibrio, y la partícula (3) se alejó un máximo hacia arriba, la energía alcanza a la partícula (4), que va ha comenzar a moverse, el resto está en reposo. Se ha completado 3/4 de período. Y se forma 3/4 de Longitud de onda.En la fig.e). La partícula foco (1) vuelve a su posición de equilibrio, la partícula (2) se alejó un máximo hacia abajo, la partícula (3) se encuentra en la posición de equilibrio, y la partícula (4) se alejó un máximo hacia arriba, la energía alcanza a la partícula (5), que va ha comenzar a moverse, el resto está en reposo. Se ha completado 4/4 de período = 1 T. en ese instante comienza todo de nuevo, cuando la energía alcanza a la partícula (6). Pero la partícula foco queda en reposo. Y se forma 4/4 de Longitud de onda = 1 λ.

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Tal como se vio en el ejemplo numérico, para encontrar la frecuencia bastará dividir el número total de oscilaciones por el tiempo que demora la hoja en realizar esas oscilaciones. Es decir:

f = n / t (Ec. 1.-)Tenemos una expresión algebraica para la frecuencia

¿Podremos encontrar una expresión similar para el período? Por supuesto en una forma muy simple:Sabemos que la hoja de sierra demora un tiempo t en efectuar n oscilaciones. “El período

que es el tiempo que demora la hoja en dar una oscilación completa” resultara de dividir el tiempo total por el número de oscilaciones n efectuadas en ese tiempo. O sea:

T = 1 / n (ec. 2.-)Si ahora observamos las ecuaciones 1 y 2.- se puede concluir que, efectivamente, el

período T es el valor recíproco de la frecuencia f.Se había afirmado que la frecuencia y el período no son independientes entre sí, de modo

que si dos oscilaciones tienen la misma frecuencia deben tener asimismo el mismo período.

En una onda periódica todos los puntos intermedios oscilan con la misma frecuencia.

CICLO: Es la onda formada durante un período. Por Ej. La onda formada entre la partícula 1 y 5.

2

1 3 5

4 ELONGACIÓN : Es lo que está separada una partícula de su posición de equilibrio en un

momento determinado, en cualquier instante 2

1 3 5 Punto de equilibrio

4Se puede trazar un eje imaginario por el centro de la onda, donde estaría el punto de equilibrio de todas las partículas. En la sinusoide, el desplazamiento de una partícula respecto a su punto de equilibrio recibe el nombre de elongación.

AMPLITUD es la mayor distancia que se separa a una partícula de su posición de equilibrio, es decir, es la máxima elongación que alcanza la partícula de su posición de equilibrio.La amplitud representa la cantidad de energía con que se propaga una onda, y su tamaño va ha depender de cuanta energía se le entregó, las ondas están formadas de amplitudes positivas y de amplitudes negativas que se propagan a lo largo del medio de propagación de la onda.

En el caso de las ondas transversales se llaman.

PARA CONOCER LA FRECUENCIA TIENES QUE CALCULAR CUÁNTAS OSCILACIONES HACE EN 1 SEGUNDO

LA HOJA DE SIERRA EFECTÚA 20 OSCILACIONES EN 10 SEGUNDOS

¿Y PARA CONOCER EL PERÍODO?

TIENES QUE CALCULAR CUÁNTO DEMORA LA HOJA EN EFECTUAR UNA OSCILACIÓN

Punto de equilibrio

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Y en el de las ondas longitudinales reciben el nombre de:

La amplitud de una onda va disminuyendo a medida que esta se propaga a través del medio, aún cuando el medio sea el mismo a lo largo de toda la propagación.

La frecuencia y la amplitud son propiedades que son independientes entre sí una de la otra. Dos oscilaciones pueden tener igual frecuencia y distinta amplitud. Esto es fácil de lograr en el péndulo. A medida que la onda se propaga se van alternando los montes y valles formando una sinusoide.

LONGITUD DE ONDA ( ): Es la distancia que se propaga la onda durante un período. Puede decirse, también, que es la distancia, hasta donde se ha propagado la onda mientras la partícula “foco” efectúa una oscilación completa. Aun que también puede decirse que es la distancia entre dos partículas consecutivas que oscilan en concordancia de fase.

Ej. La distancia entre 1 y 5 ; 3 y 7, etc. tiene idénticos desplazamientos. Tratándose de una onda transversal es más fácil, decir que, es la distancia entre dos “Montes vecinos” o dos “Valle vecinos” por ej. 2 y 6 ; 4 y 8 etc.

Si la onda es producida por vibraciones periódicas su amplitud va disminuyendo a medida que se va propagando, pero su longitud se mantiene constante hasta el final

Longitud de onda

Resulta muy importante, tener presente, que en las ondas periódicas, cada vez que se cumple un período, o ciclo temporal, también se cumple un ciclo espacial, que corresponde a la longitud de onda.

Generalmente, a medida que se propaga la onda, la amplitud va disminuyendo. Es decir, la onda se va debilitando, por la perdida de su energía, debido, a que la onda le entrega energía al medio de propagación. Pero la longitud de onda se mantiene constante. La distancia entre máximos o mínimos consecutivos no aumenta ni disminuye. Esta propiedad es valida con una condición, que la onda no pase de un medio a otro. Pero si por el contrario, una onda pasa de un medio a otro, su longitud de onda experimenta una variación.

“En un mismo medio, la onda se propaga sin alterar de su longitud de onda “. La longitud de onda varia al variar la densidad del medio en el cual se propaga, mientras más denso sea el medio de propagación menor va hacer la longitud de onda, la longitud de onda es inversamente proporcional a la densidad del medio. ( λ α 1/ D). “ A menor densidad mayor longitud de onda y viceversa a mayor densidad menor longitud de onda”. Y con ello también, va ha variar la velocidad de propagación.

La longitud de onda depende inversamente de la frecuencia (λ α 1/ f), a menor frecuencia, mayor longitud de onda.

Ondas transversales que se propaga en un resorte y en una manguera Se muestra que es una longitud de onda.

Amplitud negativa

Amplitud positiva

valles

Montes o crestas

Compresiones

Enrarecimientos

La fig. muestra, la formación de la longitud de onda, y como disminuye la amplitud a medida que la onda viaja a lo largo de la cuerda.

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En un intervalo de tiempo igual al período, la onda avanza una distancia igual a su longitud de onda.

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA (V) : está depende de la naturaleza del medio en el cual se propaga y está representado por su densidad y elasticidad. Como la distancia es una longitud de onda que corresponde a la propagación de la onda durante un período (T) su velocidad de propagación.En un movimiento con velocidad constante, el valor de la velocidad queda dado por el

cuociente entre la distancia recorrida, en un intervalo de tiempo cualquiera y la duración de ese intervalo.

Sabemos, además, que en un mismo medio de propagación, la velocidad de propagación de una onda es constante. Por lo tanto, podemos aplicar lo anterior con respecto a movimiento con velocidad constante.

Elijamos un intervalo de tiempo, cuya duración sea igual a un período (T). En ese tiempo, la onda recorre una distancia igual a la longitud de onda (λ).

Tenemos que: La distancia recorrida es la longitud de onda () La duración del intervalo de tiempo, es el período (T).La velocidad de propagación de la onda (V) será entonces:

DistanciaVelocidad = o bien

Tiempo Longitud de onda

Velocidad de propagación de la onda = ; (V) = Período T

Pero como T = 1 / f entonces resulta también que V = f En una onda periódica también se cumple que V = f

¿Qué significa esta ecuación?:La ecuación representa, en un lenguaje matemático, una propiedad esencial de las ondas.De acuerdo con la ecuación V = f, en una onda periódica la velocidad de propagación, la

longitud de onda y la frecuencia, están estrechamente relacionadas entre sí. La relación entre ellas consiste en que, si multiplicamos la frecuencia por la longitud de onda, el producto que se obtiene coincide exactamente con la velocidad de propagación.

Si conocemos la frecuencia, la longitud. De acuerdo con la ecuación para encontrar la velocidad de propagación basta multiplicar ambos valores.

De esta relación se obtiene fácilmente = v / f que es la relación más común en la determinación de longitud de onda.

V = f

... QUE ES IGUAL A LA VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA

V = f

¡QUÉ DICE AHÍ? DICE QUE EN

TODA ONDA PERIÓDICA...

ES DECIR t = T

V = / T

EN UN INTERVALO DE TIEMPO IGUAL A UN PERÍODO

... LA ONDA RECORRE UNA DISTANCIA IGUAL A UNA LONGITUD DE ONDA

ES DECIR d =

POR LO TANTO

V = f

V = f

...SI MULTIPLICO LA LONGITUD DE ONDA POR LA FRECUENCIA...

... SE CUMPLE LO SIGUIENTE;...

V = f

V = f

...OBTENGO SIEMPRE UN VALOR

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La velocidad de propagación de las ondas luminosas, en el vacío es 300.000 Km./s; y la de las ondas sonoras en el aire a 15º C es de 340 m/s.

Si el medio es isotópico, o sea, que tiene las mismas propiedades, en todas las direcciones a partir de un punto, la velocidad de propagación de la onda es la misma en todas las direcciones y por lo tanto la onda avanza en ondas esféricas; con esto todos los puntos que están a una distancia equidistantes del centro de perturbación están vibrando en concordancia de fase constituyendo una superficie de ondas o frente de onda

La velocidad de propagación de la onda es independiente de la velocidad con que vibran las partículas. Por ej. Al hacer vibrar transversalmente una cuerda la velocidad de la onda con que se propaga en la cuerda depende de la tensión F de la cuerda y de la masa (m) por unidad de longitud (l). Se obtiene que:

FV =

m / l

El paso de una onda de un medio a otro:Medio (1) Medio (2)

Figura Nº a

Figura Nº b

Si tenemos, una cuerda estirada, como lo indica la fig. Nº ….. a constituida por dos partes una delgada (Medio (1)) y la otra gruesa (Medio (2)). Por lo tanto se tienen dos medio diferentes. Sabemos que la velocidad de propagación de una onda (V1) en la parte más delgada es mayor que la velocidad de propagación (V2) en la parte más gruesa. (V1 > V2).

Al hacer oscilar el extremo de la cuerda más delgada se propaga una onda a lo largo de ella, y al llegar a la cuerda más gruesa, empieza a propagarse también en ésta; es decir, la onda se transmite de la cuerda más delgada a la más gruesa, como lo indica la fig. Nº …. b. Es fácil observar que si la cuerda delgada estuviera vibrando, por ejemplo, con una frecuencia de 10 Hz, tendríamos 10 (pulsos / s) llegando al punto de unión de ambas cuerdas, y por consiguiente, 10 (pulsos / s), empezarían a propagarse en la cuerda gruesa. Entonces tenemos que la frecuencia permanece constante al pasar del medio (1) al (2).

Por la ecuación = v/f, siendo el valor de f constante para los dos medios, vemos que en el medio en el cual la onda se propaga con mayor velocidad, tendrá mayor longitud de onda, y viceversa. Así podemos, observar en la figura que como (V2 < V1), tenemos que (2 < 1) es decir:

V1 1

= Si la frecuencia permanece constante V2 2

SUPERPOSICIÓN DE ONDAS:¿Qué sucede, cuando dos más ondas se propagan en un medio y al mismo tiempo?.

Cuando dos ondas viajan por un mismo medio en sentido contrario puede ocurrir que pase una a través de la otra sin destruirse o ni siquiera alterarse. Pero si ellas se trasladan, se obtiene una onda que resulta de la acción de ambas. A esto se le llama superposición de ondas. Lo que significa que cuando dos o más ondas se encuentran, las elongaciones de cada una de ellas se suman algebraicamente dando origen a una onda resultante obtenida a partir de dos o más ondas componentes.

Cada onda afecta al medio de manera dependiente y, por lo tanto, los efectos de tales ondas se pueden explicar mediante el Principio de superposición, que indica lo siguiente “el desplazamiento causado por dos o más ondas es la suma algebraica de los desplazamientos causados por las ondas independientes”. El resultado de la superposición de dos o más ondas recibe el nombre de interferencia.

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Fig a Fig bEn la fig. a muestra que al superponer dos ondas –pulsos que viajan

ONDAS EN LA SUPERFICIE DE UN LÍQUIDO:

ONDAS EN DOS DIMENSIONES: Cuando una persona percuta, intermitentemente en un punto de la superficie de un liquido tranquilo, se forma una onda constituida por impulsos circulares empieza propagándose en dicha superficie a partir del punto de perturbación, como Ud. ya debe haber observado alguna vez, como lo indica la figura 1a.-. De manera similar podemos producir una onda de pulsos rector si se golpea la superficie de un liquido con una regla, como la muestra la figura 1b.-

Figura 1.a.-Al percutir o golpear ligeramente la superficie de un líquido, podemos producir pulsos circulares

Figura 1.b.-Al percutir o golpear ligeramente la superficie de un líquido, podemos producir pulsos rectos

Observemos que estas ondas se propagan en dos dimensiones (la superficie del líquido), mientras que la onda de la cuerda, se propaga en una sola dimensión.

De la misma manera que en el caso de las ondas de la cuerda tenemos:1. La velocidad de propagación, V, de la onda en la superficie de un líquido, depende del

medio. Así pues, en líquidos diferentes ejemplo; aceite, agua, mercurio, etc. Tenemos diferentes velocidades de propagación, debido ala densidad de los líquidos, profundidad, elasticidad, etc.

2. La distancia entre dos crestas sucesivas es la longitud de onda .3. La frecuencia, f, de la onda, es decir, la frecuencia de oscilación de los puntos de la

superficie del líquido, es igual a la frecuencia de la fuente que origina la onda.4. Las cantidades V, f, y están relacionadas por la ecuación = V / f, y por lo tanto, como V

es constante para un medio determinado, cuanto mayor sea f, tanto menor sería el valor de en ese medio

Figura 2.a.-Representa esquema de una ondas de pulsos circulares

Figura 2.b.-Representa esquema de una ondas de pulsos rectos

En la figura 2a.- y 2b.- se ilustra una manera simplificada de representar las ondas en la superficie de un líquido. Observe que en tal representación, únicamente se trazan las crestas delas ondas: pulsos circulares en 2a y rectos en 2b. en estas figuras también se hallan las direcciones de propagación. Cuando una onda es circular, los impulsos se propagan en esta dirección, y cada rayo segmento radial indica una de ellas Fig. 2a la onda de pulsos rectos se propaga en dirección única, y por consiguiente, los rayos de esta onda son paralelos entre sí, como se observa en la figura 2b.

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EL SONIDO.

LAS VIBRACIONES Y EL SONIDO.Ya se dijo anteriormente que, las vibraciones de un objeto pueden producir sonido bajo

ciertas condiciones. En el caso del tambor la vibración se produce por la percusión que se efectúa en la membrana del instrumento, transmite la vibración a las moléculas que constituyen el aire y las mismas se ponen a vibrar con la misma frecuencia. Lo mismo pasa con los instrumentos de cuerda al ser pulsadas, al soplar una flauta se producen vibraciones en la columna de aire contenida en el interior de ella y se transmiten a su vez al aire circundante produciendo el sonido.

¿QUÉ ES EL SONIDO?. El sonido es la sensación sicoaústica producida por las vibraciones cuya frecuencia puede

apreciar el oído humano, cuando una persona habla, el sonido que emite es producido por las vibraciones de las cuerdas vocales.

Todos estos cuerpos son fuentes de sonido, que al vibrar producen ondas que se propagan en un medio material como sólido, líquido o gaseoso situado entre ellas y nuestro oído. al penetrar en el órgano auditivo, dichas ondas producen vibración que causan las sensaciones sonoras como lo indica la figura 13.-

Figura 13.-Al vibrar los objetos materiales, originan ondas que cuando llegan a nuestros oídos producen sensación sonoras o auditivas.

Figura 14.-Las ondas sonoras son ondas longitudinales que se propagan en un material

Analicemos la situación mostrada en la figura 14.- Una tira metálica puesta en vibración, provoca en el aire compresiones y enrarecimiento sucesivas que se propagan en dicho medio, en forma semejante a lo que sucede en un resorte cuando vibra en dirección longitudinal como muestra la figura 15. Cuando una molécula de aire situada en P figura 14.-, es alcanzado por esta onda de compresiones y enrarecimiento, vibrara entre los puntos P1 y P2, es decir, oscilará en la misma dirección en que se propaga la onda. Entonces la onda emitida por la placa vibrante es una onda longitudinal.

Si la misma lámina vibrase con una frecuencia menor a 20 Hz. O bien, mayor que 20000 Hz, se hallaría que al llegar al oído de una persona, la onda no produciría ninguna sensación sonora. Para que la persona perciba tal sensación es necesario que la frecuencia de la onda se encuentre comprendida entre dichos límites. En realidad, las frecuencias audibles no están situadas rigurosamente entre los 20 y los 20000 Hz, pues estos límites varían un poco entre las personas, llegamos, entonces, a la siguiente conclusión

Figura 15Onda longitudinal que se propaga en un resorte.

VALORES DE ALGUNOS SONIDOS El hombre puede escucha sonidos que van entre los 20 Hz y 20000 Hz Los perros son capaces de percibir ultrasonidos con frecuencias tan altas como los

50000 Hz Los elefantes pueden emitir con la trompa y percibir con su sistema auditivo

infrasonidos con una frecuencia tan baja como los 10 Hz, El murciélago resulta muy singular, pues su garganta emite ultrasonidos y sus oídos

los perciben hasta una frecuencia tan alta como 120000 Hz, de modo que este ultrasonido los emplea para orientarse ya que son ciegos.

PROPAGACIÓN DEL SONIDO EN DISTINTOS MEDIOS DE PROPAGACIÓN:El sonido se considera como la propagación de una señal en un medio. El principal medio en

que se propaga en nuestra vida cotidiana es el aire. Sin embargo, el sonido también se propaga en el agua, en otros líquidos, en cuerpos sólidos, y en general por cualquier medio que sea material que posea propiedades elásticas adecuadas.

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1. EN EL AIRE: el sonido es generado por una fuente sonora que agita el aire alrededor. Empujando sus partículas (llamadas moléculas). Estas moléculas a su vez empujan a sus vecinas, y estas a otras, así sucesivamente produciendo una señal que se propaga. Por esto al empujar las moléculas de aire, la fuente sonora produce una mayor acumulación de moléculas en una región que se llamara zona de mayor densidad. Las moléculas en esta zona empujan a las vecinas de están más adelante como cuando alguien que está en una fila empuja al resto empujándose una a continuación de la otra.El resultado es que en instante más tarde, la zona de mayor densidad de moléculas se encuentran un poco más lejos, y de esta manera la señal viaja a través del aire dando origen al sonido.

2. Medios Sólido, líquido y gaseoso: es curioso darse cuenta que el sonido se propaga mejor por medios que son más duros pero elástico. Esto ocurre porque el medio más deformable, como son los gases son menos eficientes en transmitir el movimiento de sus moléculas a las vecina, por estar más separadas unas de otras, en cambio en los líquidos o sólidos que son más rígidos tienen sus moléculas más juntas entre sí.Cuando los sonidos se propagan en medios más densos su distorsión es menor, se apagan menos y viaja con mayor velocidad. “ El sonido es una onda longitudinal que se propaga en un medio material (sólido, líquido y

gaseoso), y cuya frecuencia está comprendida, aproximadamente, entre los 20 y los 20000 Hz en el caso de los seres humanos.”

Observemos que el sonido puede propagarse en un medio material cualquiera: aire, agua hierro, etc. Pero, contrariamente a lo que sucede con la luz, el sonido no se propaga en el vacío; es decir, una persona no percibirá sonido alguno si no existe un medio material entre un cuerpo en vibración y su oído.

Los sonidos se pueden clasificar según su frecuencia como:a) INFRASONIDO: Es una onda longitudinal que se propaga en un medio material con una

frecuencia inferior a los 20 Hz b) ULTRASONIDO: Es una onda longitudinal que se propaga en un medio material con una

frecuencia superior a los 20.000 Hz Como ya sabemos estas ondas no propagan sensación auditiva para los seres humanos.

Perros sabemos que algunos animales si son capaces de percibir los ultrasonidos. Experimentos recientes demuestran que un perro, por ejemplo, es capaz de percibir ultrasonidos cuyas frecuencias alcanzan hasta los 50.000 Hz. A ello se debe que algunos perros amaestrados escuchen los ultrasonidos producidos por silbatos especiales que una persona no puede percibir. También se sabe que los murciélagos, aun cuando son casi ciego, pueden volar sin chocar con ningún obstáculo, porque emiten ultrasonidos que luego captan sus oídos después de ser reflejados por dichos obstáculos. Las frecuencias ultrasónicas que emiten los murciélagos y oyen después, pueden llegar hasta los 120.000 Hz. En un dispositivo electroacústico denominado sonar 1 los ultrasonidos se emplean para localizar objetos y medir la distancia hasta ellos, de modo similar a lo que hacen los murciélagos. Por ejemplo, un cardume de peces, un submarino. O bien, el fondo del mar, pueden ser localizados al reflejar los ultrasonidos emitidos por el equipo de sonar de un barco figura 16.-

Figura 16.-El sonar es un dispositivo que utiliza los ultrasonidos para localizar la posición de objetos bajo el agua

Figura 17.- La figura ilustra un método que se empleó en el siglo XVIIpara determinar el valor de la velocidad del sonido en el aire.

VELOCIDAD DEL SONIDO:Usted ya sabe que en una tempestad se producen truenos, relámpagos y rayos, aun

cuando el relámpago y el trueno de un rayo se producen en el mismo instante, sólo oímos el estampido después de haber visto la luz de la centella. Ya sabemos que la velocidad de la luz es muy grande 300.000 Km./s, y por lo tanto, el relámpago se ve prácticamente en el mismo instante en que se produce. Entonces, el intervalo entre la percepción visual del relámpago y la percepción auditiva del trueno. Representa el tiempo que tarda la onda sonora en llegar hasta nosotros. 1 N.del R. Este aparato es semejante al de radar, y como su nombre lo indica, hace uso de ondas sonoras, en vez de ondas de radio.

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Una situación semejante a ésta fue la que usaron los científicos del siglo XVII para determina la velocidad del sonido en el aire: una persona hacía detonar un cañón, y a una distancia de aproximadamente 20 Km, otra media el tiempo entre la percepción del fogonazo y ladel estruendo producido por el disparo. Como esta corresponde al tiempo que el sonido tarda en recorrer la distancia de 20 Km., fue posible calcular la velocidad sónica en el aire figura 17.- Medidas más recientes, realizadas con mayor precisión, indican que tal velocidad es de 340 (m/s), si el aire está a 20°C. Esta especificación es necesaria porque puede observarse que cuando mayor es la temperatura de un gas, tanto mayor será la velocidad con la cual se propaga en él una onda sonora. En realidad, la agitación de las moléculas de un gas aumenta con la temperatura, haciendo que la propagación de la onda sónica sea más rápida.

La velocidad de propagación de una onda depende del medio en el cual se propaga, lo cual también sucede con el sonido. Por ejemplo, en el agua el sonido se propaga con una velocidad de 1450 (m/s), etc. Vea la tabla que muestra algunos valores de velocidad del sonido en diferentes medios de propagación.

TABLA 1.- TABLA 2.-Velocidad del Sonido Intensidades SonorasMedio material Velocidad (m/s) Hojas de árbol movidas por la brisa

Radio o televisión, a bajo volumenConversación comúnTrafico urbano intensoRemachadora o perforadoraBocina de automóvilUmbral, de la sensación dolorosa

20 db40 db60 db70 db100 db120 db140 db

Caucho o huleOxígeno 0°C

Aire 20°CHidrógeno 0°C

AguaHierroGranito

54317340

1300145051006000

TONO Y VOLUMEN.Las características físicas de las ondas sonoras se miden por su frecuencia, longitud de

onda y amplitud. En los humanos, el sonido se detecta por el oído y se interpreta por el cerebro. Las características del sonido se denominan en términos de lo que nosotros percibimos. El Tono es en esencia la frecuencia de la onda. El Volumen depende de la amplitud de las vibraciones de la onda de presión.

Mersenne (1588 – 1648 y Hooke (1635 – 1703) fueron los primeros en relacionar el tono con la frecuencia de vibración. El tono también puede darle el nombre a una nota en la escala musical.Las escalas musicales se basan en el trabajo de Pitágoras SIGLO vi A. C. Descubrió que cuando las razones de dos cuerdas eran números enteros pequeños, como por ejemplo el 2:1 ; 3:2 ó 4:3, se lograban sonidos agradables cuando las dos cuerdas se pulsaban simultáneamente. Cuando dos notas poseen frecuencias con relación a 2:1, se dice que difieren en una octava. Ejemplo, si una nota tiene una frecuencia de 440 Hz, una octava más alta tendrá una frecuencia de 880 Hz. Una nota una octava menor, tendrá una frecuencia de 220 Hz. Es importante reconocer que es la relación entre las frecuencias, y no el tamaño del intervalo entre ellas, lo que determina el intervalo musical.

En otros intervalos musicales comunes, las frecuencias están en relación de números enteros pequeños. Ejemplo, las notas en el intervalos llamado la “tercera mayor”, se encuentran en la relación de 5:4. de la misma forma, las motas en la cuerda “cuarta” tienen una relación de frecuencia de 4:3 y aquellas en la “quinta” una relación de 3:2.

El oído humano es extremadamente sensible a las vibraciones en la presión del aire en el sonido. Puede detectar amplitudes de ondas de menos de una mil millonésima de una atmósfera (2 X 10-5 N/m2 ) es de 20 dB. En el otro extremo del rango audible, las variaciones de presión que causan dolor son un millón de veces más grande (20 N/m2 ). Nótese que tal valor es aún menor que una milésima de atmósfera.

Debido a ese rango tan amplio de variaciones de presión, las presiones de sonido se miden por medio de una cantidad llamada nivel de sonido. El nivel de sonido se mide en decibeles. (dB). El nivel depende de la relación de una determinada onda sonora a la presión del sonido más débil que puede percibirse, 2 X 10-5 N/m2. Tal amplitud tiene un nivel de sonido de cero decibeles (0 dB). Un sonido con una amplitud de presión 10 veces mayor 2 X 10 -4 N/m2 es de 20 dB. Una amplitud de presión 10 veces mayor que la anterior es de 40 (dB).

El volumen, como lo percibe el oído humano, no es directamente proporcional a las variaciones de presión de la onda sonora, más aún, la sensibilidad del oído humano depende tanto de la frecuencia del sonido, como de su nivel. La percepción es también diferente para tonos

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puros y para la mezcla de ellos. Mucha gente encuentra que un incremento de 10 dB en el nivel de sonido, es alrededor del doble de fuerte.

La frecuencia en un sonido dado está directamente relacionada con la elevación o tono del mismo.

CARACTERISTICAS DEL SONIDO:Es obvio que todas las propiedades de las ondas son válidas para las ondas sonoras

incluso para las de ultrasonido y infrasonidos. Una onda sonara se refleja dé modo que el ángulo incidente es igual al ángulo de reflexión, y varios fenómenos como el eco. Por ejemplo son producidos por la reflexión del sonido. El fenómeno de la refracción también ocurre en las ondas sónicas, es decir, cuando una onda sonora pasa oblicuamente de un medio a otro, altera su dirección de propagación, la difracción y la interferencia son fenómenos que se observan con las ondas sonoras al igual que con cualquier otro tipo de onda. Además, la relación = / f es válida también para las ondas sonoras, y la frecuencia de un sonido no se altera cuando pasa de un medio a otro.

INTENSIDAD DEL SONIDO:Cuando se hace vibrar una lamina metálica se puede escuchar que al inicio el sonido es

más fuerte que al final.Esto está relacionado con la disminución del tamaño de la oscilación. Al tamaño de la

oscilación se le llama amplitud de la oscilación y está relación con la intensidad del sonido, también es conocido como volumen.

Cuando un radio receptor funciona a todo “Volumen”2 decimos que el sonido que emite es un sonido de gran intensidad o bien, como se dice vulgarmente, es un sonido fuerte. Por otra parte, el tictac de un reloj es un sonido débil, en el lenguaje cotidiano.

La intensidad del sonido depende de la amplitud de la oscilación de la fuente sonora, aunque la relación entre la intensidad y la amplitud de la oscilación no es simple.

La intensidad es una propiedad del sonido que se relaciona con la energía de vibración de la fuente que emite la onda sonora. Al propagarse, esta onda transporta energía por unidad de tiempo que una onda sónica transporta hasta nuestros oídos, tanto mayor será la intensidad del sonido que percibimos.

Se sabe que la cantidad de energía transporta por una onda es tanto mayor cuanto mayor sea la amplitud de la misma. Se puede concluir que “la intensidad de un sonido es mayor cuando así lo es la amplitud de la onda sonora”.

La intensidad del sonido se mide en decibeles (db) en homenaje a Alexander Grahan Bell. En la tabla 2.- se muestran algunas intensidades de sonidos. Los sonidos de gran intensidad generalmente son desagradables al oído humano, cuando alcanza una intensidad cercana a los 140 db, comienza a producir sensación de dolor

ALTURA DEL SONIDO:La altura de un sonido se relaciona con la frecuencia f de la onda sonora, es la cualidad

que nos permite clasificarlo como:

1. Grave: Se dice que un sonido es grave cuando es bajo frecuencia, en general los hombres tienen voces graves, es decir, la voz masculina tiene una menor frecuencia

2. Aguda: Se dice que un sonido es agudo cuando tiene una alta frecuencia, en general las mujeres tienen voces agudas, es decir, voz fina, un sonido es agudo cuando es alto, de modo que cuanto más agudo sea el sonido, tanto mayor será su frecuenciaLas cuerdas vocales de los hombres vibran con una frecuencia menor que las cuerdas vocales

de las mujeres. En resumen, tenemos que “ la altura de un sonido se caracteriza por la frecuencia de la onda

sonora. Un sonido de pequeña frecuencia es grave o bajo, y un sonido de gran frecuencia es agudo alto”.

Las notas musicales se caracterizan por su altura o frecuencia; es decir cuando un instrumento musical emite notas diferentes, está emitiendo sonidos de distinta frecuencia. En un piano, por ejemplo, a cada tecla le corresponde un sonido de diferente frecuencia

Las teclas que se hallan a la izquierda del pianista corresponden a las notas de baja frecuencia sonidos graves, y las de la derecha son las notas de elevada frecuencia sonidos agudos. Obsérvelos la figura 18.- la representación de una teclado de un piano, en la cual se indican las frecuencias de algunas notas.2 N.de R. Es usual decir impropiamente Volumen de un sonido en vez de intensidad del mismo, caso de sistemas electroacústicos o audioelectrónicos.

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Figura 18.-Frecuencia de algunas notas de la escala musical, en relación con el teclado de un piano.

Los cantantes de música clásica se clasifican de acuerdo con la frecuencia de las notas que son capaces de emitir, y son los bajos con voz grave, masculina, los tenores con voz menos grave, masculina, las sopranos con voz aguda femenina, etc. Las frecuencias de las notas que estos cantantes son capaces de emitir varían desde casi 100 Hz bajos hasta los1200 Hz sopranos.

TIMBRE:Si tocamos una cierta nota de un piano, y si la misma nota (de la misma frecuencia) fuese

emitida con la misma intensidad por un violín, podríamos distinguir una de la otra; es decir, podemos decir claramente cuál nota fue la que emitió el piano, y cuál, el violín. Se dice que estas notas tienen un timbre diferente.

Esto se debe a que la nota emitida por el piano es el resultado de la vibración no únicamente de la cuerda accionada, sino también de algunas otras partes del piano como la maderas, columna de aire, otras cuerdas, etc., las cuales vibran junto con ella. Así pues, la onda sonora emitida tendrá una forma propia, característica del piano. De la misma manera. La onda emitida por un violín es el resultado de vibraciones características de este instrumento, y por ello presenta una forma diferente a la onda emitida por un piano. En la figura 19.- se muestra en a) la forma resultante de una onda sonora cuya frecuencia es 440 Hz, emitida por un violín, y en b) la misma nota de 440 Hz emitida por el piano. Entonces los sonidos tienen la misma frecuencia, pero de timbre diferente, corresponden a ondas sonoras cuya forma es distinta. Por lo tanto, podemos expresar que “ nuestro iodo es capaz de distinguir dos sonidos de la misma frecuencia e intensidad, dado que la forma de las ondas sonoras correspondientes a ellos sean distintas. Decimos que ambas sonidos tienen diferente timbre”.

Figura 19.-La forma de la onda sonora de un violín es diferente de la forma de la onda de un piano. Por eso, los sonidos de tales instrumentos son de distinto timbre.

Figura 20.-Forma de las ondas correspondientes a algunos sonidos.

Lo que se dice para el violín y el piano, se aplica también a los demás instrumentos musicales: la onda sonora resultante que cada uno de ellos emite, y que corresponde a una nota determinada, tiene una forma propia, característica del instrumento; es decir, cada uno de ellos posee su propio timbre. Figura 20.- La voz de las personas también tiene un timbre propio, porque la forma de la onda sonora que producen está determinada por características personales. Este es el motivo por el cual podemos identificar a una persona de otra por su voz que es como una huella digital.

RELACIÓN ENTRE TONO, TIMBRE E INTENSIDAD

Existen cualidades del sonido que son totalmente objetivas, que no dependen de quien las escucha y que son medidas con instrumentos. Sin embargo hay otras que dependen mucho de quien escuche el sonido (cualidades sicoacústicas) y estas son:

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La altura o tono: es la impresión que causa la frecuencia de un sonido. Esta relacionada con una cualidad del sonido mediante el cual el oído le asigna un lugar en la escala musical, lo que permite distinguir entre los sonidos agudos y graves.

El timbre sonoro: esta relacionado con el hecho de que podamos diferenciar un mismo tono (una misma nota musical), dado por un piano o una guitarra o una flauta. Esta cualidad también nos permite reconocer a una persona cuando nos habla. Es como la huella dactilar es propia de cada persona.

La intensidad sonora: es lo que permite detectar cuando una radio está funcionando a todo volumen, en cambio el sonido que emite un reloj se puede calificar como un sonido de baja intensidad o débil. La intensidad es la cantidad de energía transformada en sonido, depende de la amplitud de la vibración del cuerpo que produce el sonido.

HACER LA GUÍA QUE SE ENCUENTRA EN LAS SIGUIENTES HOJAS

GUÍA DE FÍSICA CON NOTA COEFICIENTE 2DEPARTAMENTO DE FÍSICAPROFESORA:ALICIA ACUÑA

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NOMBRE:---------------------------------------------------------------------------------------- CURSO: 1º ……FECHA: JUEVES 30 DE JUNIO PJE TOTAL: 66 PJE OBT: --------------- NOTA:------------APRENDIZAJE ESPERADO:

5. Indicar las características de una onda y del Sonido6. Obtener e identificar las propiedades del sonido.

INSTRUCCIONES:1. La guía es individual para el 1C y máximo 2 para 1A,1B,1D y 1E.2. La guía se debe mandar al siguiente correo antes de la fecha indicada arriba

clalacro@hotmail.com ( 1C, profesora Alicia) hluciano.p@gmail.com ( (1A,1B, 1D y 1Eprofesor Héctor)3. Si el liceo para esa fecha a sido entregado y estamos en clase se debe entregar en la

misma fecha de arriba.4. Lea atentamente la guía y después responda5. Coloque su nombre de Ud. en la guía y Curso que pertenece6. Utilice la guía de materia que se le manda junto con la guía a desarrollar7. Responda las preguntas en el orden que Ud. desee, pero debe colocar el número de la

preguntas a que corresponda la respuesta. Junto a señalar la página y párrafo(s) que utilizo para responder a la pregunta o bien del libro de clase

8. Debe obligatoriamente colocar esquemas donde corresponda

RESPONDA LAS SIGUIENTES PREGUNTAS:

1. ¿Qué transportan las ondas?

2 puntos

2. ¿Qué es una Onda? 2 puntos

3. ¿Cómo se propagan las ondas:

A. TransversalesB. Longitudinales 4 puntos

4. ¿En qué medios se propagan las ondas:A. Mecánicas B. Electromagnéticas. 4 puntos

5. OBSERVE LA SIGUIENTE FIGURA 1 Y RESPONDA LAS SIGUIENTES PREGUNTAS1 5 9

figura 1 3 7 11

1. Indique todos los puntos entre los que se producen:A. Un periodoB. Una longitud de onda 4 puntos

2 4 6 8 10 12

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2. Indique el nombre y en qué puntos se producen:A. Amplitudes positivasB. Amplitudes negativas 4 puntos

6. Coloque en cada flecha de la figura 2 donde se producen:A. Nodos B. Antinodos

Figura 2 4 puntos7. Indique qué representa cada una de las siguientes figuras:

a.

…………………………………………….………………………………………….....…………………………………………….…………………………………………….

b.

……………………………………….……………………………………….……………………………………….……………………………………….

c.

…………………………………………….…………………………………………....…………………………………………….…………………………………………….

d.

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

8 puntos

8. ¿Qué es el sonido, defínalo ? 2 puntos

9. ¿En que medios se propaga el sonido? 2 puntos

10.Señale el rango de frecuencia de los siguientes animales :a) Perrosb) Hombrec) Murciélagos 6 puntos

11.Señale los rangos de :a) Infrasonidob) Ultrasonido 4 puntos

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12.Clasifique de mayor a menor la velocidad del sonido en los siguientes medios y dé un ejemplo de cada uno de ello, con su velocidad.

a) Sólidob) Líquidosc) Gases 6 puntos

13.Defina los siguientes conceptos:a) Intensidad del sonidob) Altura del sonidoc) Timbre d) Tono 8 puntos

14.¿Cuál es la relación entre Tono y Timbre e Intensidad, explique.? 6 puntos

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