UNIDAD EDUCATIVA “ALBERTO ENRIQUEZ” ONDAS Y SONIDO NOMBRE: Katherine Caranqui
CURSO: 3ro BGU C
FECHA: 01/01/2014.
TEMA: Ondas y Sonido
ÍNDICE
1. Ondas Concepto de onda Tipos de ondas Características de las ondas 2. Fenómenos ondulatorios Reflexión de las ondas Refracción de las ondas Difracción de las ondas Interferencia de las ondas 3. El sonido: Una onda longitudinal ¿Cómo se produce el sonido? Velocidad de propagación Cualidades del sonido Efecto Doppler Contaminación acústica Aplicaciones de ondas sonoras 4. La luz: Una onda transversal Naturaleza de la luz Propagación de la luz Reflexión de la luz Refracción de la luz Dispersión de la luz. Espectro El espectro electromagnético
ONDAS La onda es una perturbación del medio y produce un movimiento de partículas, una onda es una perturbación que transmite energía. En una onda todas las partículas del medio por donde viajan deben poseer el mismo período de oscilación y la misma frecuencia. CONCEPTO DE ONDA Una onda es una perturbación que se propaga. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse. El medio elástico se deforman recupera vibrando al paso de la onda. Una onda transporta energía pero no transporta materia. TIPOS DE ONDAS Ondas electromagnéticas: estas ondas no necesitan de un medio para propagarse en el espacio, lo que les permite hacerlo en el vacío a velocidad constante. Ondas mecánicas: necesitan un medio material, ya sea elástico o deformable para poder viajar. Este puede ser sólido, líquido o gaseoso y es perturbado de forma temporal aunque no se transporta a otro lugar. Ondas gravitacionales: estas ondas son perturbaciones que afectan la geometría espacio temporal que viaja a través del vacío. Su velocidad es equivalente a la de la luz. Según su propagación: Ondas unidimensionales: estas ondas, viajan en una única dirección espacial. Es por esto que sus frentes son planos y paralelos. Ondas bidimensionales: estas ondas, en cambio, viajan en dos direcciones cualquieras de una determinada superficie. Ondas tridimensionales: estas ondas viajan en tres direcciones conformando un frente de esférico que emanan de la fuente de perturbación desplazándose en todas las direcciones. Según su dirección: Ondas transversales: las partículas por las que se transporta la onda se desplazan de manera perpendicular a la dirección en que la onda se propaga. Ondas longitudinales: en este caso, las moléculas se desplazan paralelamente a la dirección en que la onda viaja. CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS
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Longitud de onda (l) que es igual a la distancia entre dos puntos consecutivos cualquiera de una onda Frecuencia (f) que es el número de crestas que pasan por un punto dado en la unidad de tiempo. Amplitud (A) que es la máxima altura de una cresta o la máxima profundidad de un valle. Período, T, que es el recíproco de la frecuencia
2. FENÓMENOS ONDULATORIOS Los fenómenos ondulatorios son parte importante del mundo que nos rodea. A través de ondas nos llegan los sonidos, como ondas percibimos la luz; se puede decir que a través de ondas recibimos casi toda la información que poseemos. A partir del análisis de fenómenos ondulatorios tan sencillos como las olas que se extienden por una charca o las sacudidas que se propagan por una cuerda tensa trataremos de estudiar las características generales de todos los movimientos ondulatorios.
REFLEXIÓN DE LAS ONDAS Reflexión de una onda al cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión.
REFRACCIÓN DE LAS ONDAS Refracción de una onda al cambio de dirección y de velocidad que experimenta ésta cuando pasa de un medio a otro medio en el que puede propagarse. Cada medio se caracteriza por su índice de refracción. Cuando la onda pasa de un medio a otro en el que la onda viaja más rápido, el rayo refractado se acerca a la normal, mientras que si pasa de un medio a otro en el que la onda viaja a menos velocidad el rayo se aleja de la normal
DIFRACCIÓN DE LAS ONDAS
Se denomina difracción de una onda a la propiedad que tienen las ondas de rodear los obstáculos en determinadas condiciones. Cuando una onda llega a un obstáculo (abertura o punto material) de dimensiones similares a su longitud de onda, ésta se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Esto quiere decir, que cuando una onda llega a un obstáculo de dimensión similar a la longitud de onda, dicho obstáculo se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Cuanto más parecida es la longitud de onda al obstáculo mayor es el fenómeno de difracción. INTERFERENCIA DE LAS ONDAS Se denomina interferencia a la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iniciales. Destructiva: es la superposición de ondas en anti fase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iniciales.
3. EL SONIDO: UNA ONDA LONGITUDINAL Una onda longitudinal es una onda en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión. Algunos ejemplos de ondas longitudinales son el sonido y las ondas sísmicas de tipo P generadas en un terremoto. ¿CÓMO SE PRODUCE EL SONIDO? El sonido se produce como resultado de la vibración de un cuerpo, que genera unas ondas de compresión en el medio que lo rodea, que al llegar a nuestros oídos transmiten esa energía, modulada en forma de impulso nervioso, hasta el cerebro. Cuando la vibración de origen es regular, el sonido tiene características "musicales" mientras que una vibración irregular suele tener características de "ruido".
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
Todas las ondas tienen una velocidad de propagación finita.en cuyo valor influyen las fuerzas recuperadoras elásticas del medio y determinados factores de la masa del medio: la densidad lineal en las cuerdas; la profundidad del agua bajo la superficie, o el coeficiente adiabático, la masa molecular y la temperatura en el caso de la propagación del sonido en un gas.
CUALIDADES DEL SONIDO Intensidad: La intensidad o el volumen es la cualidad que nos permite clasificar los sonidos en fuertes o débiles y está relacionada directamente con la magnitud física “Intensidad de la onda” que es la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de superficie y unidad de tiempo. Tono: El tono es una cualidad del sonido que nos permite clasificar los sonidos en altos y graves y está relacionada directamente con la magnitud física “frecuencia”. Los sonidos graves son los de frecuencia baja y los sonidos altos son los de gran frecuencia. Timbre: El timbre nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín aunque emitan la misma nota con la misma intensidad. EFECTO DOPPLER El efecto Doppler, llamado así por el físico austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. Doppler propuso este efecto en 1842 en su tratado (Sobre el color de la luz en estrellas binarias y otros astros). En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo. CONTAMINACIÓN ACÚSTICA Se llama contaminación acústica (o contaminación sonora) al exceso de sonido que altera las condiciones normales del ambiente en una determinada zona. Si bien el ruido no se acumula, traslada o mantiene en el tiempo como las otras contaminaciones, también puede causar grandes daños en la calidad de vida de las personas si no se controla bien o adecuadamente. El término "contaminación acústica" hace referencia al ruido (entendido como sonido excesivo y molesto), provocado por las actividades humanas (tráfico,
industrias, locales de ocio, aviones, etc.), que produce efectos negativos sobre la salud auditiva, física y mental de los seres vivos. Está estrechamente relacionado con el ruido debido a que esta se da cuando el ruido es considerado como un contaminante, es decir, un sonido molesto que puede producir efectos nocivos fisiológicos y psicológicos para una persona o grupo de personas. Las principales causas de la contaminación acústica son aquellas relacionadas con las actividades humanas como el transporte, la construcción de edificios y obras públicas, las industrias, entre otras.
APLICACIONES DE ONDAS SONORAS Las ondas sonoras, aparte de estimular nuestro oído, se utilizan para numerosas aplicaciones técnicas y científicas. Principalmente se hace uso de los ultrasonidos, sonidos por encima de la frecuencia límite de audición del ser humano. Entre estas aplicaciones cabe destacar las siguientes: El sonar: es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua para navegar, comunicarse y detectar otros buques o bancos de pesca, utilizando la reflexión de la onda de forma similar a la que ocurre con el eco Ecografías; En una ecografía el aparato, envía los ultrasonidos a la parte del cuerpo que queremos estudiar. Estos ultrasonidos se desplazan a distinta velocidad en función de la densidad de los tejidos recogiendo el eco de estos ultrasonidos se transforma la señal recibida en una imagen. Medida de distancias; en procesos industriales en los que se precisa una tolerancia muy baja con las irregularidades y, con menor precisión, en los autofocos de las cámaras fotográficas y móviles, ajustando para que la imagen salga enfocada. Medida de velocidades; como en los radares de nuestras carreteras, aprovechando el conocido como efecto Doppler que se explica en el siguiente "Para saber más".
4. LA LUZ: UNA ONDA TRANSVERSAL Una onda transversal es una onda en la que las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Si una onda transversal se mueve en el plano x-positivo, sus oscilaciones van en dirección arriba y abajo que están en el plano y-z. Este tipo de onda transversal igualmente podría corresponder a las vibraciones de los campos eléctrico y magnético en las ondas electromagnéticas. Una onda electromagnética que puede propagarse en el espacio vacío no produce desplazamientos puntuales de masa. Son ondas transversales cuando una onda por el nodo se junta con la cresta y crea una gran vibración.
NATURALEZA DE LA LUZ La naturaleza física de la luz ha sido uno de los grandes problemas de la ciencia. Desde la antigua Grecia se consideraba la luz como algo de naturaleza corpuscular, eran corpúsculos que formaban el rayo luminoso. Así explicaban fenómenos como la reflexión y refracción de la luz. Newton en el siglo XVIII defendió esta idea, suponía que la luz estaba formada por corpúsculos lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz. Escribió un tratado de Óptica en el que explicó multitud de fenómenos que sufría la luz. Con este modelo se explicaban fenómenos como la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de explicar. Así la luz era una onda longitudinal, pero las ondas longitudinales necesitan un medio para poder propagarse, y surgió el concepto de éter como el "medio" en el que estamos inmersos. La solución al problema la dio Maxwell en 1865, la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío. Quedaba ya por tanto resuelto el problema del éter con la aparición de estas nuevas ondas.
PROPAGACIÓN DE LA LUZ La luz se puede propagar en el vacío o en otros medios. La velocidad a la que se propaga depende del medio. En el vacío (o en el aire) en cualquier otro medio su valor es menor. Esta velocidad viene dada por una magnitud que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en ese medio. Según su comportamiento ante la luz, los medios se pueden clasificar en: transparentes, opacos y translúcidos. REFLEXIÓN DE LA LUZ La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que al estar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, regresa al punto donde se originó. Reflexión de la luz y sus leyes La luz es una manifestación de energía. Gracias a ella las imágenes pueden ser reflejadas en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción.
1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano. 2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
θi = θr En función del ángulo, es posible leer o no el cartel, debido al ángulo de reflexión de la luz.
REFRACCIÓN DE LA LUZ La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada. En la refracción se cumplen las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimiento ondulatorio: • •
El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano. Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, entendiendo por tales los que forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular (llamada Normal) a la superficie de separación trazada en el punto de incidencia.
DISPERSIÓN DE LA LUZ. ESPECTRO Cuando se interpone un prisma de cristal o de otro material transparente en la trayectoria de un rayo solar. La luz blanca que llega al prisma se refracta y emerge formando una serie de bandas de colores diferentes. Este fenómeno se denomina dispersión o descomposición de la luz. Al proyectarse sobre una pantalla las bandas de color que emergen del prisma, se observa los colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, y violeta.
Esta
secuencia
de
bandas
de
colores
se
denomina
espectro
solar.
Esto nos indica que la luz no es simple, sino que está compuesta por luces de diversos colores. Características de los calores Observando el espectro solar vemos que el rayo menos desviado es el rojo y el que más se refracta es el violeta, esto se debe a que las distintas radiaciones que atraviesan el prisma lo hacen con velocidades diferentes. La velocidad de la luz varía al pasar de un medio a otro, habiéndose comprobado que su frecuencia no varía y sí lo hace su longitud de onda. Cuando se hace incidir un rayo de luz blanca sobre un prisma, ésta se dispersa formando el espectro solar, pero si en la trayectoria del haz dispersado se intercala otro prisma, en posición invertida, el haz que emerge es nuevamente blanco. Se ha logrado la recomposición de la luz blanca.
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite o absorbe una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo (véase Cosmología física) aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.