Ondas y sonido

 

Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. Cuando estas ondas necesitan de un medio material, se llaman ondas mecánicas. Las únicas ondas que pueden propagarse en el vacío son las ondas electromagnéticas.

El sonido es un tipo de onda mecánica que se propaga únicamente en presencia de un medio material.

Un cuerpo al vibrar imprime un movimiento de vaivén (oscilación) a las moléculas de aire que lo rodean, haciendo que la presión del aire se eleve y descienda alternativamente. Estos cambios de presión se trasmiten por colisión entre las moléculas de aire y la onda sonora es capaz de desplazarse hasta nuestros oídos. Las partes de la onda en que la presión aumenta (las moléculas se juntan) se llaman compresiones y aquellas en que la presión disminuye (las moléculas se alejan) se llaman enrarecimientos.

Según la dirección de propagación, clasificamos las ondas en dos tipos:

Ondas Longitudinales:

Es cuando la vibración de la onda es paralela a la dirección de propagación de la propia onda. Estas ondas se deben a las sucesivas compresiones y enrarecimientos del medio, de este tipo son las ondas sonoras. Un resorte que se comprime y estira también da lugar a una onda longitudinal.

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El sonido se trasmite en el aire mediante ondas longitudinales.

Otro ejemplo de onda longitudinal es quella que se produce cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, Se origina una perturbacion que se propaga en circulos concéntricos que, al cabo del tiempo, se extienden a todas las partes del estanque.

Ondas Transversales:

Donde la vibración es perpendicular a la dirección de la onda. Las ondas transversales se caracterizan por tener montes y valles. Por ejemplo, las ondas que se forman sobre la superficie del agua al arrojar una piedra o como en el caso de una onda que se propaga  a lo largo de una cuerda tensa a la que se le sacude por uno de sus extremos.

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Características generales o elementos de las ondas

Tren de ondas: Todas las ondas al moverse lo hacen una tras otra como si fuera un tren de donde se coloca un vagon tras otro.

x


Nodo: Es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.

x

 

Elongación: Es la distancia entre cualquier punto de onda y su posición de equilibrio.

Cresta, monte o pico: es el punto más alto de una onda

Valle: Es el punto más bajo de una onda.

x



Periodo: Tiempo que tarda en efectuarse una onda o vibracion completa, se mide en segundos o s/ciclo se representa con una T mayúscula.

x

 

Notemos que el periodo (T) es igual al recíproco de la frecuencia (f) y viceversa.

Amplitud (A) : Es la maxima separacion de la onda o vibración desde su punto de equilibrio.

x

 

La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o compresiones consecutivos de la onda. En las ondas transversales la longitud de onda corresponde a la distancia entre dos montes o valles, y en las ondas longitudinales a la distancia entre dos compresiones contiguas. También podemos decir que es la distancia que ocupa una onda completa, se indica con la letra griega lambda (Λ) y se mide en metros. A la parte superior de la onda se le llama cresta y a la inferior se le llama valle.

Tomaremos como ejemplo ilustrativo una onda transversal.

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Frecuencia: Es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se indica con la letra f minúscula. Se mide en ciclos/ segundo o hertz (Hz). Coincide con el número de oscilaciones por segundo que realiza un punto al ser alcanzado por las ondas.

Las dos magnitudes anteriores, longitud y frecuencia, se relacionan entre sí para calcular la velocidad de propagación de una onda.

Velocidad de propagación: Es la relación que existe entre un espacio recorrido igual a una longitud de onda y el tiempo empleado en recorrerlo.

Se indica con la letra V y es igual al producto de la frecuencia (f) por la longitud de onda (λ).

Matemáticamente se expresa así:

ondas002

 por lo tanto

ondas003

fórmula que nos indica que la longitud de onda λ y la frecuencia f son dos magnitudes inversamente proporcionales, es decir que cuanto mayor es una tanto menor es la otra.

Ver: PSU: Física; Pregunta 11_2005(2)

Periodo: Es el tiempo (en segundos) que tarda un punto en realizar una oscilación completa al paso de una onda. Se abrevia con la letra (T).

La frecuencia (f) se relaciona con el periodo según la fórmula

ondas008

Volvamos a la fórmula

ondas003

 para reemplazar en ella f (frecuencia), y nos queda la fórmula

ondas007

Lo cual nos indica que también podemos calcular la velocidad si conocemos la longitud  (λ) y el periodo (en segundos) de una onda.

Como vemos, podemos relacionar estas magnitudes  y conociendo los valores de algunas de ellas podemos determinar los valores de las otras, usando las fórmulas indicadas.

Para ejercitar la materia desarrollemos algunos problemas

Problema 1

El edificio Platinum, ubicado en Santiago, se mece con una frecuencia aproximada a 0,10 Hz. ¿Cuál es el periodo de la vibración?

Datos:

Frecuencia  f = 0,10 Hz

Fórmula:

ondas008

Reemplazamos los valores

ondas005

Calculamos Tseg

ondas006

Respuesta:

El periodo (intervalo de duración entre dos crestas de una onda) es de 10 segundos.

 

Problema 2

Una ola en el océano tiene una longitud de 10 m. Una onda pasa por una determinada posición fija cada 2 s. ¿Cuál es la velocidad de la onda?

Datos:

Longitud  (λ) = 10 m

Periodo (Tseg) = 2 seg

Velocidad (V) =  ¿

Fórmula:

ondas002

ondas007

Reemplazamos valores

ondas011

Respuesta:

La velocidad de una onda de 10 metros que pasa por una posición fija cada 2 segundos es de 5 m/s

Problema 3

Ondas de agua en un plato poco profundo tienen 6 cm de longitud. En un punto, las ondas oscilan hacia arriba y hacia abajo a una razón de 4,8 oscilaciones por segundo. a) ¿Cuál es la rapidez de las ondas?, b) ¿cuál es el periodo de las ondas?

Datos:

longitud (λ) = 6 cm

frecuencia (f) = 4,8 Hz

Fórmula:

ondas008

Periodo (T) = ¿

Velocidad (V) = ¿

Para calcular la velocidad (V) necesitamos conocer la longitud (6 cm) y el periodo (T), ya que la fórmula de V es

ondas002

ondas007

y la fórmula para determinar el periodo (T) la obtenemos de

ondas012

reemplazamos valores y queda

ondas013

entonces

ondas007

quedará

ondas014

Respuestas

La rapidez o velocidad de las ondas es de 28,8 cm/s;  y el periodo de cada onda es de 0,2083333 seg.

Problema 4

Ondas de agua en un lago viajan 4,4 m en 1,8 s. El periodo de oscilación es de 1,2 s. a) ¿Cuál es la rapidez de las ondas?, b) ¿cuál es la longitud de onda de las ondas?

Datos:

Distancia recorrida por las ondas: 4,4 m

Tiempo en recorrer esa distancia: 1,8 seg

Periodo: 12,2 seg

Primero calculamos la velocidad

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Ahora, calculamos la frecuencia (f)

ondas016

 

Luego, calculamos la longitud de onda (l)

ondas017

Respuestas

La rapidez o velocidad de las ondas es de 2,4444 m/s;  y la longitud de cada onda es de 2,9333 m

 

Problema 5

Calcular la longitud de onda de una nota musical con una frecuencia de 261 Hz.

Considerando que la velocidad de propagación del sonido en el aire a 15° C es de 340 m/seg, entonces se tiene,

v = 340 m/seg ;           f =261 Hz ;      por lo tanto la longitud de onda es,

sonido_ondas003

Ver: PSU: Física, Pregunta 03_2005Física

El efecto Doppler

Cuando una fuente de sonido se acerca o aleja de un observador, el tono del sonido percibido varía. Este fenómeno se conoce como efecto Doppler y fue explicado por primera vez en 1842 por el físico austriaco Christian Doppler (1803-1853).

Tomemos por ejemplo la sirena de una ambulancia. Cuando se acerca, las ondas sonoras que se propagan hacia delante están más apretadas, y llegan a nuestros oídos con más frecuencia y la sirena tiene un tono más agudo. Cuando se aleja, las ondas que se propagan hacia atrás están mas separadas, de frecuencia más baja y el sonido es más grave. Cuanto mayor es la velocidad de la fuente de sonido mayor es el cambio de frecuencia.

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Ondas estacionarias

Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud de onda y velocidad avanzan en sentido opuesto a través de un medio se forman ondas estacionarias. Por ejemplo, si se ata a una pared el extremo de una cuerda y se agita el otro extremo hacia arriba y hacia abajo, las ondas se reflejan en la pared y vuelven en sentido opuesto. Esta onda tiene la misma frecuencia y longitud de onda que la onda original. Con determinada frecuencias las dos ondas, propagándose en sentidos contrarios interfieren para producir una onda estacionaria.

Estas ondas están caracterizadas por la aparición de puntos en reposo (nodos) y puntos con amplitud vibratoria máxima (vientre). Esto es posible observarlo en las cuerdas vibrantes, como en las cuerdas de guitarra, y en los tubos sonoros.

Las ondas estacionarias no son ondas viajeras sino los distintos modos de vibración de una cuerda, una membrana, aire en un tubo, etc.

Cuerdas vibrantes

Una cuerda, tendida entre dos puntos fijos, es susceptible de emitir un sonido gracias a sus vibraciones. La nota producida por una cuerda vendrá determinada por la longitud (L), la tensión (T), la densidad (d) y la sección (S). Así, si disponemos de una cuerda muy tensa y fina, obtendremos una nota aguda; y por el contrario, si la cuerda está poco tensa y es gruesa, la nota será grave.

La frecuencia se puede encontrar a partir de la fórmula: 

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Resonancia

La frecuencia a la que un objeto vibra de manera natural se llama su frecuencia de resonancia, si un sonido que posea esa frecuencia se emite en las proximidades de un objeto, este capta la energía de la onda sonora y vibra de manera natural produciéndose la resonancia.

Cuando la música suena alta en una habitación, determinadas notas harán que resuene un objeto situado cerca de los parlantes. Una copa de cristal se puede romper si un cantante es capaz de emitir un sonido de frecuencia igual a la frecuencia natural de la copa.

En resumen, un cuerpo vibra por resonancia cuando llegan a él vibraciones de frecuencia igual a la propia vibración del cuerpo.

Espectro sonoro, Infrasonido y Ultrasonido

No todas las ondas sonoras pueden ser percibidas por el oído humano, el cual es sensible únicamente a aquellas cuya frecuencia están comprendida entre los 20 y los 20.000 Hz, pudiendo variar de una persona a otra. A las perturbaciones de frecuencia inferior a los 20 Hz se les denomina infrasonidos y  a las que la tienen rango superior a 20.000 Hz, ultrasonido. Tanto el infrasonido como el ultrasonido no son perceptibles por el oído humano.

Ver: PSU: Física; Pregunta 19_2007

El infrasonido es el tipo de onda generada por grandes fuentes sonoras, como es el caso de los terremotos y volcanes, así como por maquinarias muy pesadas. Se ha comprobado que este tipo de onda puede provocar movimiento e irritación de los órganos internos del cuerpo.

El ultrasonido tiene muchas aplicaciones en diferentes campos de la física, la química, la tecnología y la medicina.

Se utiliza a menudo en medicina porque, a diferencia de los rayos X, las ondas ultrasónicas no perjudican a los tejidos humanos. La ecografía se basa en la emisión de dichas ondas a través de la piel hacia los órganos en exploración, estos las reflejan y los ecos son recogidos por un escáner que forma en ellos una imagen sobre una pantalla.

El ultrasonido también es utilizado en la medición de profundidades marítimas, para localizar cardúmenes, con lo que resulta una excelente ayuda para la pesca, así como para detectar barcos hundidos y submarinos. Se le utiliza además en la industria para le detección de grietas en los metales, por medio de la diferencia en los ecos reflejados en la grieta.

Otro tipo de aplicación de las ondas ultrasonoras es la de matar microorganismos; al enfocar sobre ellos un haz ultrasónico, los hace entrar en rapidísima vibración, con lo cual mueren.

Existen animales capaces de emitir ondas ultrasonoras: Los delfines, por medio de fuertes chasquidos que rebotan en los objetos produciendo ecos, pueden localizar peces y otros objetos submarinos. Los murciélagos son capaces de viajar y detectar obstáculos por medio de las ondas ultrasónicas que son capaces de emitir y percibir.

Ver Aplicaciones del ultrasonido

Ver PSU: Física,

Pregunta 01_2005Física

Pregunta 02_2005Física

Pregunta 03_2005Física

 

Fuentes Internet:

http://www.consultoriomedico.info/foro/Default.aspx?acc=disc&id=4

Ver:

http://www.conevyt.org.mx/cursos/enciclope/temas_fisica.html#generalesdelmovimiento

 

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