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El Sonido Materia y sus trasformaciones : El Sonido Profesora: Elizabeth Villanueva
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El sonido Los fenómenos sonoros están relacionados con las vibraciones de los cuerpos materiales. Siempre que escuchamos un sonido, hay un cuerpo material que vibra y produce este fenómeno.
Como se muestra en la figura, una tira metálica puesta en vibración, provoca en el aire compresiones y rarefacciones sucesivas que se propagan en dicho medio. Cuando una molécula de aire situada en el punto P es alcanzada por esta onda de compresiones y rarefacciones, vibrará entre los puntos P 1 y P2, es decir oscilará en la misma dirección en que se propaga la onda. La onda sonora es longitudinal y mecánica.
Propagación del sonido La velocidad de propagación de una onda depende del medio en el cual se propaga.La mayoría mayoría de los sonidos que escuchamos se transmiten por el aire. Sin embargo, un material elástico (sólido, líquido, gaseoso o plasma) puede transmitir el sonido . En los líquidos y sólidos elásticos, las moléculas están relativamente cerca entre sí y responden con rapidez a los movimientos relativos, y transmiten energía con poca pérdida. El sonido se propaga con más rapidez en el aire cálido que en el aire frio. Las moléculas moléculas en el aire a mayor temperatura son más rápidas, chocan entre sí con mayor frecuencia y en consecuencia pueden transmitir un impulso en menos tiempo. Por cada grado de temperatura sobre 0ºC, la rapidez del sonido en el aire aumenta 0,6 metros por segundo. El sonido no se propaga en el vacío, porque para propagarse necesita de un medio. Si no hay nada que se comprima y se expanda, no puede haber sonido.
Velocidad del sonido Medio material Velocidad (m/s) Caucho (o hule) 54 Oxígeno (0ºC) 317 Aire (20ºC) 340 Helio (0ºC) 972 Hidrógeno (0ºC) 1300 Agua (25ºC) 1493 Cobre (25ºC) 3560 Fierro 5100 Granito 6000 La energía acústica se disipa en energía térmica, mientras el sonido se propaga en el aire. Para las ondas de mayor frecuencia, la energía acústica se transforma con más rapidez que para las ondas de bajas frecuencia. En consecuencia, el sonida de baja frecuencia llega más lejos por el aire que el de altas frecuencias. Es la causa de que las sirenas de niebla de los barcos tienen baja frecuencia.
Espectro del sonido Se refiere al rango de frecuencias que pueden ser percibidas por el oído humano, y que podemos escuchar. Los sonidos menores a 20Hz (infrasonido) y superiores a 20.000Hz (ultrasonido) no producen sensaciones sonoras para el oído humano.
Tono o altura Es la cualidad que nos permite clasificarlo como grave o agudo. En lenguaje musical se dice que un sonido agudo es alto y que uno grave es bajo. La altura de los sonidos se relaciona con su frecuencia, de modo que tanto mayor sea la frecuencia, más alto o agudo será el sonido. Cuando un instrumento musical emite notas diferentes, está emitiendo sonidos de distinta frecuencia.
Intensidad La intensidad es una propiedad del sonido que se relaciona con la energía de vibración de la fuente que emite la onda sonora. La energía sonora que transporta una onda por unidad de tiempo, a través de una unidad de área. Cuanto mayor sea la cantidad de energía (por unidad de tiempo) tiempo) que una onda sonora sonora transporta hasta nuestro oído, tanto mayor será la intensidad del sonido que percibimos. La magnitud de la intensidad del sonido será mayor, cuanto más grande sea la amplitud de la onda. La
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intensidad del sonido se mide en decibel (dB). El umbral del dolor humano se encuentra en los 140dB. Intensidades sonoras Silencio Murmullo Radio o tele a bajo volumen Conversación común Tráfico urbano intenso Remachadora o perforadora Bocina de automóvil Umbral de sensación dolorosa
0dB 10dB 40dB 60dB 70dB 100dB 120dB 140dB
Timbre Podemos distinguir las notas de dos instrumentos musicales porque tienen un timbre diferente. Esto se debe a que la nota emitida por una guitarra, o el sonido de la voz de una persona, es el resultado de la vibración no única (fenómeno de superposición o interferencia) de las cuerdas de una guitarra, sino también de algunas otras partes de la guitarra, como la caja de madera. Así, la onda emitida tendrá una forma característica de cada instrumento o cada persona , razón por la cual podemos diferenciar los sonidos, por ejemplo, las voces de dos personas distintas.
A veces, cuando el sonido se refleja en las paredes, el techo y el piso de un recinto, se producen nuevas reflexiones sobre las reflexiones anteriores. Este fenómeno se conoce con el nombre de reverberación. Por otro lado, si las superficies son muy absorbentes, la intensidad (o el “nivel”) d el sonido sería bajo, y el recinto sonaría gris y sin vida. La acústica es el estudio de las propiedades del sonido, como por ejemplo el equilibrio entre reverberación y absorción.
Absorción Como ya sabemos, las superficies suaves e irregulares son buenas absorbentes del sonido. Este fenómeno es importante, por ejemplo, en la construcción de los teatros, cines, salas de grabación, etc. Incluso en la sala de clase. Las cortinas ayudan a absorber el sonido evitando que el eco interfiera con lo que el profesor explica. La capacidad de absorción de un material es la relación entre la energía absorbida por el material y la energía reflejada. El coeficiente de absorción es un número entre 0 y 1 (1 cuando la absorción es máxima y 0 cuando es mínima). Una de las cualidades de la física es la capacidad de predecir fenómenos. Si lo que construyen una sala conocen los coeficientes de absorción de los materiales, entonces podrían predecir cómo se comportará cada valor de frecuencia de sonido emitida allí. Coeficientes de absorción Ladrillo sin pintar Ladrillo pintado Madera terciada Piso de madera Cortinas gruesas Alfombra gruesa
0,03 0,017 0,3 0,11 0,5 0,06
Transmisión y refracción
Reflexión Es una de las propiedades características del sonido. A la reflexión de un sonido comúnmente la llamamos eco.
Las ondas sonoras se desvían cuando algunas partes de sus frentes viajan a distintas rapideces. Esto sucede en vientos erráticos o cuando el sonido se propaga a través de aire a distintas temperaturas.
El eco se produce cuando el sonido se refleja en un medio más denso, como por ejemplo, una pared, y llega al oído aproximadamente 0,1 segundos después del sonido que se recibe directamente de la fuente emisora.
La fracción de la energía sonora que porta la onda sonora reflejada es grande si la superficie es suave y regular.
El sonido se refleja sobre una superficie lisa, de la misma manera que lo hace la luz, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
El sonido se propaga con más lentitud a mayor altitud (baja la temperatura) y se desvía apartándose del
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suelo. Sucede lo contrario en un día frío, o por la noche, cuando la capa de aire cercana al suelo está más fría que el aire sobre ella. Entonces, la rapidez del sonido cerca del suelo se reduce. La mayor rapidez de los frentes de onda causa una reflexión del sonido hacia el suelo, y hacen que el sonido se pueda escuchar a distancias bastante mayores. Un fenómeno similar sucede en el agua, debido a las capas de temperatura. De esta forma se producen puntos ciegos en donde los submarinos pueden esconderse de los sonares de los barcos.
Frecuencia natural Cuando golpeamos dos objetos distintos, como una pelota y unas llaves, producirán sonidos distintos. Todo objeto hecho de un material elástico vibra cuando es perturbado con sus frecuencias especiales propias, que en conjunto producen su sonido especial. Se habla entonces de la frecuencia natural de un objeto, que depende de factores como la elasticidad y la forma del objeto.
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vibración, este objeto entrará en resonancia. Dicho fenómeno se llama comúnmente vibración simpática o vibración por resonancia. Por ejemplo, has observado vibrar un florero cuando la música de la radio suena con una gran intensidad.
Difracción La difracción del sonido se produce cada vez que una fuente sonora se propaga en un medio con aberturas o bordes. Al pasar por una abertura (por ejemplo: una ventana abierta), el sonido hace que la ventana se comporte como una fuente sonora. Sucede de manera similar cuando el sonido se encuentra con un borde (por ejemplo, una pared). Ahí el frente de ondas sonoras se desvía. Es posible acentuar la difracción de una onda a través de una rendija u orificio, si aumentamos su longitud de onda o disminuimos el tamaño de dicha rendija u orificio.
Naturalmente, las campanas y diapasones vibran con sus frecuencias características propias. La mayor parte de las cosas, desde los planetas hasta los átomos, y casi todo lo que hay entre ellos tienen una elasticidad tal que vibran a una o más frecuencias naturales.
Vibraciones forzadas Si golpeamos un diapasón no instalado, el sonido que se produce podrá ser bastante débil. Si sujetamos el mismo diapasón contra una mesa, después de golpearlo, el sonido será intenso. Esto se debe a que se obliga a vibrar a la mesa, y con su mayor superficie pone en movimiento a mayor masa de aire. La mesa es forzada a vibrar por un diapasón a cualquier frecuencia. Es un caso de vibración forzada.
Efecto Doppler Cuando la fuente (o el receptor) de una onda se encuentra en movimiento:
La caja de madera de una guitarra sufre una vibración forzada cada vez que hacemos vibrar una o varias cuerdas. Sin la caja de madera, no podríamos percibir el sonido de las cuerdas, pues tendría poca intensidad.
Resonancia Cuando la frecuencia de las vibraciones forzadas coincide con la frecuencia natural del mismo, se produce un aumento de amplitud, producto de una interferencia constructiva. A este fenómeno le llamamos resonancia (que significa sonar de nuevo). La masilla no resuena, porque no es elástica, y un pañuelo que se deja caer es demasiado blando. Para que un objeto resuene necesita que una fuerza lo regrese a su posición inicial, y que la energía sea suficiente para mantenerlo vibrando. Cuando un objeto que vibra se encuentra junto con otro cuya frecuencia natural es la misma que la
El sonido se percibe con un cambio de tono. En el caso de las imágenes, la frecuencia del observador de la izquierda es menor a la frecuencia del observador de la derecha, por lo que el primero escuchará un sonido grave y el segundo un sonido agudo. Sin embargo, sólo la frecuencia y la longitud de una onda es la que cambia cuando hay movimiento de la fuente (o del receptor), la rapidez permanece constante.
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Ejercicios 1. ¿Cómo suele definir un físico el sonido? 2. ¿Cuál es la relación entre frecuencia y tono? 3. Describe la diferencia entre las ondas sonoras infrasónicas y las ultrasónicas. 4. ¿Por qué el sonido no se propaga en el vacío? 5. Si la Luna explotara, ¿Por qué no escucharíamos la detonación? 6. ¿Qué es el eco? 7. ¿Qué es una reverberación? ¿Qué diferencia hay entre eco y reverberación? 8. ¿Cuál es el destino de la energía del sonido en el aire? 9. ¿qué es un decibel y cuántos decibeles tiene el sonido de menor intensidad que es posible oir? 10. Un niño está frente a un acantilado y grita: “hola”. Cuatro segundos después escucha el eco producido por el acantilado. ¿A qué distancia se encuentra el acantilado de donde está el niño? 11. Un gato puede oír frecuencias de hasta 70.000Hz. Los murciélagos emiten y reciben chillidos con ultra alta frecuencia, hasta de 120.000Hz. ¿Quiénes oyen sonidos de longitudes de onda más corta, los gatos o los murciélagos? 12. Durante una tormenta, una persona observa un relámpago, y solamente hasta después de 10s, escucha el ruido del trueno correspondiente. ¿A qué distancia se produjo la descarga eléctrica que provocó el relámpago? 13. ¿Cuál es, en el aire, la longitud de onda del sonido más agudo que puede percibir el oído humano? ¿Y la del más grave? 14. Una onda longitudinal, en el aire, con 10mm , ¿sería un infrasonido, un sonido o un ultrasonido? 15. Un barco oceanoráfico explora el fondo del mar con sonido ultrasónico que se propaga a 1.530m/s en el agua de mar. ¿Qué profundidad tendrá el agua, si desde la emisión del hasta la llegada del eco pasan 2 segundos? 16. Una persona pulsa en un piano la tecla que corresponde a la nota la normal (440Hz). a) ¿Cuál es la longitud de este sonido en el aire? b) ¿Cuál es la frecuencia del mismo cuando llega al oído de una persona sumergida en una piscina cercana al piano? ¿Por qué? c) ¿Cuál es la longitud de onda de este sonido en el agua? 17. El sonido, ¿tiende a desviarse hacia arriba o hacia abajo cuando su rapidez es menor cerca del suelo? 18. Describe al menos dos factores que determinen la frecuencia natural de un objeto. 19. ¿Qué tienen que ver las vibraciones forzadas con la resonancia? 20. Investiga sobre 3 fenómenos de la vida diaria que se expliquen con la vibración forzada. 21. Investiga sobre 3 fenómenos de la vida diaria que se expliquen con la resonancia. 22. ¿Qué se requiere hacer para que un objeto resuene? 23. En la audición de una orquesta, una flauta emite
un sonido muy agudo, mientras que la tuba está emitiendo un sonido grave. a) ¿Cuál de estos instrumentos está produciendo el sonido de menor longitud de onda? b) Entonces, ¿cuál de las dos ondas sonoras sufrirá la difracción más acentuada al rodear un obstáculo? c) ¿Cuál de los dos instrumentos será mejor escuchado por alguien situado atrás del obstáculo? 24. Cuando escuchas tu radio, ¿por qué sólo escuchas una estación, y no todas al mismo tiempo? 25. Cuando una fuente sonora se mueve hacia ti, que estás en reposo, ¿mides un aumento o una disminución de la rapidez de onda? 26. ¿Por qué hay un efecto Doppler cuando la fuente sonora es estacionaria y la persona que escucha está en movimiento? ¿En qué dirección debe moverse la persona para escuchar una frecuencia mayor? ¿Y para escuchar una frecuencia menor?
Referencias Física Conceptual, Paul G. Hewitt, Décima edición, Editorial Pearson. Física General, Beatriz Alvarenga y Antonio Máximo, Cuarta edición, Editorial Oxford.
