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C
ONCEPTO DE OSCILACIÓN
Se dice que un cuerpo o partícula está oscilando cuando efectúa un movimiento de vaivén en torno a una posición de equilibrio.
Esta grafica representa la amplitud de una oscilación de tipo sinusoidal en función del tiempo. Como podemos ver el en el gráfico, en el eje vertical se muestra el valor instantáneo de la amplitud y en el eje horizontal el tiempo trascurrido.
La frecuencia de esta señal estará dada por:
La T corresponde al tiempo que demora la señal el completar un ciclo y por lo cual lo llamamos periodo. La longitud de onda se puede determinar por medio de la velocidad de propagación de la onda en el medio y la frecuencia de oscilación:
E
SPECTROS DE FRECUENCIAS
Los espectros de frecuencias son un rango entre el cual los seres humanos u otros, pueden percibir las ondas, tanto mecánicas como electromagnéticas. Tal y como todos sabemos, para el hombre existe un rango de frecuencias de ondas sonoras en el cual podemos oír, que depende de cada persona, pero por lo general es entre los 20 Hz a los 20.000 Hz. Al igual que con el sonido, para el hombre también existe un rango de ondas electromagnéticas que puede ver.
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FENÓMENOS ONDULATORIOS
En todo tipo de ondas se presentan los fenómenos de: Reflexión, Transmisión, Refracción, Difracción e Interferencia.
REFLEXIÓN
Si un medio material no permite que una onda siga propagándose, esta “rebota”, es decir, se refleja y se cumple que la onda incidente, la onda reflejada y la normal están en un mismo plano (primera ley de la reflexión) y el ángulo de incidencia es congruente con el ángulo de reflexión (segunda ley de la reflexión). La reflexión se produce cuando una onda encuentra en su camino un medio de propagación más denso.
TRANSMISIÓN
Cuando una onda pasa de un medio a otro, parte de esta se devuelve (Reflexión) y otra pasa al nuevo medio (transmisión). En este proceso no hay pérdida de energía, ya que la suma de la energía de la onda reflejada y la transmitida es equivalente a la amplitud de la onda incidente.
En la transmisión la onda mantiene su frecuencia, variando su longitud de onda, lo que hace que se modifique la rapidez de propagación de esta.
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REFRACCIÓN
Cuando una onda pasa de un medio a otro, generalmente cambian su dirección de propagación (esto no ocurre solo cuando incide perpendicularmente a la superficie de contacto de los dos medios).
DIFRACCIÓN
Si una onda es interrumpida parcialmente por un obstáculo en su dirección de propagación, la onda puede rodearlo y seguir propagándose. Cuando hay dos obstáculos delimitan un pequeño espacio, las ondas también pueden pasar.
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SUPERPOSICIÓN E INTERFERENCIA
Muchos fenómenos ondulatorios interesantes en la naturaleza no pueden describirse mediante una sola onda en movimiento. En lugar de ello es necesario analizar formas de onda complejas en función de una combinación de diferentes ondas viajeras. Para analizar dichas combinaciones de onda se utiliza el principio de superposición de ondas.
El principio de superposición de ondas establece que si dos o más ondas viajeras se mueven a través de un medio, la función de onda resultante en cualquier punto es la suma algebraica de las funciones de onda individuales.
Dos ondas viajeras pueden pasar una a través de otra sin alterarse. Decimos que cuando dos o más ondas ocupan la misma posición en un cierto momento, necesariamente se interfieren. A este fenómeno de interacción entre ondas se denomina interferencia.
ONDAS Y SONIDO
Cuando los cuerpos vibran comprimen el medio elástico de su entorno, produciendo pequeños cambios de presión que generan una serie de pulsos de compresión y rarefacción (dilatación) que forma una onda sonora, la que se transmite a través del aire alejándose de la fuente y penetrando en nuestros oídos. Al paso de una onda cada partícula del medio realiza solamente vibraciones u oscilaciones; luego, los conceptos de amplitud, frecuencia, periodo, longitud de onda y velocidad de propagación estudiadas para las ondas son aplicables también para el sonido.
Todos los sonidos son generados por vibraciones de objetos materiales. En un piano, un violín, o una guitarra es una cuerda vibrante la que produce ondas sonoras. En un saxofón los produce una lengüeta vibrante, en un flauta, una columna de aire ondulante que entra por la boquilla del instrumento. Nuestra voz proviene de las vibraciones periódicas de nuestras cuerdas vocales, la que agitan el aire que circula a través de ellas.
El sonido se propaga mejor en los medios más densos, como los sólidos o líquidos que en el aire. La velocidad de propagación del sonido depende de la elasticidad del medio material, que se define como su capacidad de recuperar su forma inicial. En un medio elástico, los átomos están muy juntos, por lo cual reaccionan en forma rápida al movimiento mutuo, transmitiendo la energía de las ondas con muy pocas pérdidas.
Medio Rapidez de propagación
Oxigeno 316 Aire 340 Plomo 1.200 Hidrogeno 1.270 Agua 1.450 Glicerina 1.980 Cobre 3.500 Acero 5.000
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V
IBRACIONES DE SONIDO
Los fenómenos sonoros están relacionados con las vibraciones de los cuerpos materiales. Para hacer vibrar un objeto se emplean tanto o procedimientos mecánicos, como eléctricos y magnéticos.
Los tres elementos básicos para la existencia de sonidos son:
El objeto vibrante o fuente sonora, que puede ser una cuerda, una lámina o las partículas de aire en una cavidad.
El medio, que puede ser sólido (madera, cuero, plástico, nailon, etc.), líquido o gaseoso como el aire.
El receptor, que puede ser nuestro oído o algún instrumento que registre sonido.
La naturaleza longitudinal de las ondas sonoras se pone de manifiesto por el hecho que los fluidos, tanto líquidos cómo gases son capaces de transmitirlas; por medio de compresión y enrarecimientos sucesivos, es decir, variaciones de precio periódicas.
C
ARACTERÍSTICAS DEL SONIDO
La percepción el soplido involucra tres características fundamentales: intensidad, tono y timbre.
Cuando hablamos de sonidos agudos o graves referimos a la altura o tono del sonido lo que depende de la frecuencia con que vibra al objeto vibrante, obteniéndose a mayor frecuencia un sonido más agudo, y a menor frecuencia un sonido más grave. Si se escucha una orquesta desde lejos, resaltan más los sonidos graves que los agudos, ya que las frecuencias bajas se transmitan con mayor eficacia (las frecuencias más altas se pierden con la distancia).
El rango de audición humano es de 20 Hz a 20000 Hz, aproximadamente. Sus cuerdas vocales emiten sonidos entre 85 -1400 Hz. Los sonidos cuya frecuencia sobrepasa los 20000 Hz dejan de ser audibles para el oído humano, Se les da el nombre de ultrasonidos. Los sonidos cuya frecuencia es inferior a 20 Hz tampoco es audible para el ser humano. Se les da el nombre de infrasonidos.
En medicina y en la industria la aplicación del ultrasonido reviste una gran importancia. Por ejemplo, los instrumentos de ultrasonido detectan y emiten sonidos entre 3.500.000 Hz y 7.500.000 Hz.
Cuando hablamos de sonidos intensos o débiles, nos referimos a la intensidad del sonido. Esta depende de la amplitud de la vibración, siendo un sonido más intenso cuando la amplitud es mayor y un sonido más débil cuando la amplitud es menor.
La intensidad del sonido se mide en una unidad llamada DECIBEL, que corresponde a la decima parte otra unidad mayor llamada BEL, en honor al inventor norteamericano Alexander Graham Bell, quien en 1876 investigando con dispositivos para corregir la sordera invento el teléfono.
Esta comprobado que la intensidad es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que nos separa de la fuente sonora; los que significa que si nos alejamos el doble de la distancia, la intensidad disminuye a la cuarta parte.
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Sonido Nivel sonoro (dB)
Murmullo 20 Biblioteca 40 Conversación normal 60 Tráfico urbano 80 Grito 100 Personal estéreo 80 - 100 Martillo neumático 90 - 100 Concierto de rock 100 - 110
Despegue de avión (a unos 60 m) 120
El timbre es otra cualidad del sonido. Distingue entre sonidos de igual altura e intensidad producidos por fuentes sonoras diferentes. Si tocamos una cierta nota de un piano, y si la misma nota (de la misma frecuencia) fuese emitida con la misma intensidad por violín, podríamos distinguir una de la otra; es decir, podemos decir claramente cuál fue la nota que emitió el piano, cual emitió el violín. Decimos, entonces, que estas notas tienen un “timbre” diferente.
Esto se debe a que la nota emitida por un piano es resultado de la vibración no única de la cuerda, sino también de otras partes del piano (madera, columna de aire, otras cuerdas, etc.) las cuales vibran 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 resultado de vibraciones características de este instrumento y, por ello, presenta una forma diferente a la de la onda emitida por un piano.
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. 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 las personas por su voz.
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FENÓMENOS ONDULATORIOS ASOCIADOS AL SONIDO
Reflexión: El sonido se refleja en superficies sólidas, cuando al chocar con ella (incidir sobre ellas) se desvía
transmitiéndose en el mismo medio de origen. La reflexión es más eficaz cuanto mayor es la densidad de la superficie. Para que una superficie actué como reflectora es necesario que absorba una fracción muy pequeña del sonido que llega ella.
Existen dos fenómenos que son producidos por la reflexión:
El eco: se produce al reflejarse el sonido, luego de incidir sobre un obstáculo. Esta consecuencia de la
reflexión de las ondas sonoras se produce cuando oímos un sonido determinado y, poco después las ondas reflejadas de este.
Con el eco podemos calcular la distancia a la que estamos de ciertos objetos, sabiendo la velocidad del sonido en el medio en el que estamos, y el tiempo que tarda el sonido en volver.
Como ejemplo podemos ver que al gritar en una montaña, el eco se demora aproximadamente unos 3 segundos en volver,
[ ⁄ ] [ ]
Lo que nos quiere decir que el sólido contra el cual el sonido se reflejó está a una distancia de 510 metros aproximadamente.
La reverberación: consiste en la prolongación del sonido debido a sucesivas reflexiones. Los sonidos
percibidos por un receptor se tardan un poco debido a la percepción de las ondas reflejadas que llegan como sonidos subsiguientes desde muchos puntos del local.
La transmisión: los sonidos se transmites a través de diferentes medios, tanto sólidos, como líquidos y
gaseosos. La transmisión es más eficaz en medios más densos y para frecuencias más bajas.
La absorción: el sonido, al encontrarse con una superficie dura, se refleja, pero sí se encuentra con cortinas
de otros materiales “blandos” se absorbe total o parcialmente. Si el sonido es agudo o de frecuencia alta y el material es blando, mayor es la absorción.
La refracción: el fenómeno de la refracción es un cambio en la velocidad de propagación de la onda, cambió
asociado al paso de un medio a otro estado por diferentes propiedades. Este cambio de velocidad da lugar a un cambio en la dirección de propagación de la onda. Como consecuencia la onda retratada se desvía un cierto ángulo respecto de la incidente.
La difracción: una persona A al lado de un muro, puede ser escuchada por una persona B colocada detrás
del mismo, que las ondas sonoras emitidas por A, debido a la refracción, rodean el obstáculo y llegan al oído de B.
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La resonancia: el fenómeno de resonancia consiste en el refuerzo
de la amplitud de vibración de un cuerpo por el acoplamiento de otra vibración de frecuencia muy similar. Esto explica porque todos los cuerpos poseen una propia frecuencia natural de vibración que depende de su tamaño, de sus características y del medio en el que se encuentran.
Esta imagen muestra el puente de Tachoma Narrows, en estados unidos, no pudo soportarlas elevadas amplitudes al entrar en resonancia con los vientos normales de solo 70 [Km/h] que circulaban a través de él. Tenía solo 4 meses de inaugurado
Efecto doppler: la frecuencia con que percibe un sonido depende de la velocidad relativa entre quien lo
emite y quien lo escucha.
Al escuchar la sirena de una ambulancia, la percibimos de diferente manera cuando el móvil se acerca que cuando se aleja. Este cambio de frecuencia debido al movimiento de la fuente o al del receptor se denomina Efecto Doppler en honor al físico austriaco Ch. J. Doppler (1803-1853) quien fue el primero en interpretarlo en 1842.
Si la fuente de sonido emisora se acerca, aumenta la frecuencia de las ondas, percibiéndose, por tanto, un sonido más agudo y, si se aleja, disminuye la frecuencia, escuchándose un sonido más grave. Este cambio de sonido se percibe solo si la fuente emisora esta en movimiento.
Cuando la fuente y el observador se mueven uno hacia el otro la frecuencia que escucha el observador es más alta que la frecuencia de la fuente. Cuando la fuente y el observador se alejan una del otro, la frecuencia escuchada es más baja que la frecuencia de la fuente.
