Ayuda Las ondas más fáciles de observar son aquellas que precisan un medio para su propagación, que se denominan ondas mecánicas u ondas elásticas. Un ejemplo muy conocido de este tipo de ondas lo constituye una cuerda larga sujeta por un extremo; cuando al extremo libre se le da una sacudida, el aspecto de la cuerda en el transcurso del tiempo es como el de la figura adjunta. La perturbación producida en el extremo se propaga a la largo de la cuerda; se dice que se propaga un pulso. Sucede lo mismo que al dar un latigazo.
Si la sacudida es continua el aspecto es de la siguiente figura adjunta y se denomina tren de ondas.
Otro ejemplo de ondas muy conocido lo constituyen los círculos que se propagan en la superficie del agua al tirar una piedra o al introducir el dedo, fenómeno que nos ha sorprendido a todos en nuestra niñez. Las ondas anteriores se observan bien porque el medio en el que se propagan es fácilmente visible. Ondas del mismo tipo y forma que las de la superficie del agua se propagan en la tela del tambor al golpearlo, pero no se observan con la misma facilidad. Todos los ejemplos citados corresponden a ondas elásticas que se propagan en una dirección perpendicular a la de la perturbación que provoca la onda, razón por la que se denominan ondas transversales.
Ayuda En un muelle largo se le puede producir una onda transversal como en una cuerda, con lo que se obtiene un aspecto análogo. Sin embargo el muelle es un buen ejemplo visible de otro tipo de ondas mecánicas, que se denominan ondas longitudinales, que son aquellas en las que la dirección de la perturbación y de la propagación coinciden. El sonido es un ejemplo de onda elástica longitudinal. La vibración que se provoca a cuerdas, tubos sonoros, las cuerdas bucales, etc. provoca en el aire variaciones de presión que se propagan a través de él y que son detectadas por el oído. Como el aire no es visible no podemos visualizar la onda, aunque si detectarla con el tímpano.
El otro tipo de ondas, además de las mecánicas, son las ondas electromagnéticas, que se caracterizan por no necesitar un medio para su propagación, aunque se propagan en otros medios además del vacío. La luz, que es una onda electromagnética transversal, igual que las ondas de radio y televisión, los rayos ultravioleta, los rayos X, etc. se propagan en el vacío, mientras que el sonido no lo hace ya que necesita un medio de propagación. Mediante perturbaciones sucesivas del extremo de un muelle fijo por el otro extremo, se obtiene la situación que muestra la figura adjunta, en donde se observa que hay zonas del muelle en los que las espiras se juntan, que se denominan compresiones, y otras zonas, denominadas enrarecimientos, donde las espiras están más separadas que cuando el muelle está en reposo.
Ayuda En todas las ondas hay una característica común: la energía suministrada en un punto del medio se propaga a través de él, pero los puntos del medio recuperan la posición inicial después que la onda ha pasado, lo que significa que el medio material no se desplaza. Un ejemplo muy usual no muestra esta situación: cuando se nos cae la pelota a la piscina (a una hora intempestiva en la que no hay nadie dentro y nos da pereza mojarnos para cogerla) echamos agua sobre la pelota con las manos para impulsarla hacia donde nos sea más fácil cogerla, pues no conseguimos nada si tratamos de moverla mediante ondas en el agua.
Con todo lo visto hasta ahora, podemos definir una onda de una forma más general: se trata de una propagación de la energía sin transporte de materia.
La velocidad de una onda depende del tipo de onda y del medio en el que se propaga; fijado el medio y la perturbación el movimiento se realiza a velocidad constante. Por ejemplo la velocidad de cualquier sonido en el aire es 330 m/s, mientras que en el agua es de 1400 m/s y de 5000 m/s en el acero. La velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío y en el aire es de 300000 km/s, siendo inferior en cualquier otro medio.
Una característica importante de las ondas electromagnéticas es que la energía que transportan es proporcional a la frecuencia.
Ayuda La primera figura muestra una varilla fija por un extremo, a la que, mediante una fuerza se separa su extremo libre de la posición de equilibrio. El extremo de la varilla vibra, se mueve alternativamente de un lado a otro. La segunda figura muestra cinco líneas, que representan las sucesivas posiciones de una cuerda larga a cuyo extremo se le provoca un movimiento de vibración como el del extremo de la varilla de arriba a abajo. La primera línea es la cuerda sin vibrar, la segunda es la forma de la cuerda cuando el punto del extremo llega a la parte superior, en la tercera el punto ha vuelto a la posición de equilibrio, en la cuarta está en la posición más baja y en la quinta ha terminado una vibración, ciclo u oscilación. El tiempo que transcurre en una oscilación completa se denomina período (T) y la distancia que se ha propagado la onda por la cuerda en ese tiempo se denomina longitud de onda (?). (Gp:) l
Si las vibraciones se repiten continuamente la forma de la cuerda es la de la tercera figura. Se denomina frecuencia ?(f) al número de oscilaciones que se verifican en la unidad de tiempo, es decir en un segundo. Por tanto, el período y la frecuencia se relacionan como: f = 1/T.
Ayuda La unidad de longitud de onda es el metro, la de período el segundo y la de frecuencia el inverso del Segundo o hertz (Hz).
Si la velocidad de propagación de la onda es v, la relación entre la longitud de onda y el período es:
? = v·T
y de la relación entre el período y la frecuencia se deduce:
? = v/f
Aunque estas expresiones se han deducido para una cuerda vibrando son válidas para cualquier onda. Obsérvese que al aumentar la frecuencia, o lo que es lo mismo disminuir el período, disminuye la longitud de onda.
Ayuda El sonido de los instrumentos musicales tiene tres características: intensidad, tono y timbre. El tono es equivalente a la frecuencia, pero en música, en lugar de hablar de frecuencia alta o baja se habla de notas agudas (o altas) y de notas graves (o bajas), respectivamente. La intensidad es la característica que mide la energía del sonido; en música se habla de notas fuertes o suaves para indicar esto. Con un instrumento determinado el sonido es más fuerte (no confundir con agudo) cuanto mayor es la amplitud de la vibración que lo produce; por ejemplo, una determinada cuerda dará una determinada nota (un tono) que será tanto más fuerte cuanto más se separa la cuerda de su posición de equilibrio. La figura adjunta muestra dos ondas de igual frecuencia y distinta intensidad. Mayor amplitud e intensidad
El timbre es la característica mediante la cual distinguimos los instrumentos aunque emitan la misma nota. Eso es debido a que, aunque los instrumentos emitan la misma frecuencia fundamental, emiten otras frecuencias que acompañan a ésta, denominados armónicos, y modifican la onda de modo que se puede distinguir el instrumento. Esto es debido a que ningún instrumento, salvo el diapasón, emite un sonido puro. En la figura adjunta se ilustra lo que sucede.
Hay un experimento que consiste en colocar un timbre eléctrico en una campana de vidrio y hacer el vacío, como se muestra en la figura. Se extrae el aire despacio y el sonido se hace cada vez más tenue, hasta que se deja de percibir cuando el vacío de la campana es elevado. ¿Qué se deduce de este experimento? 1 Si no tienes muy clara la respuesta, acude a la ayuda para repasar el tema La conclusión que se deduce del experimento es que el sonido no se propaga en el vacío, ya que es una onda elástica o mecánica.
La velocidad del sonido en el aire es 330 m/s.(a) Calcula la distancia que recorre en 25 s.(b) Calcula el tiempo que tarda en recorrer 1 km. 2 Como la velocidad de una onda en un medio es constante, se cumplirá: d = v·t Con los datos que nos dan para el sonido: d = 330·25 = 8250 m Contesta al apartado (a) Contesta al apartado (b) (Gp:) Despejando el tiempo de la expresión anterior:
¿A qué velocidad se propaga el sonido por el corcho si recorre 100 m en 0,2 s? Recuerda la propiedad utilizada en el ejercicio anterior 3 (Gp:) Como la onda en el corcho se propaga a velocidad constante como cualquier onda, la velocidad se calcula como sigue:
(Gp:) Análogamente:
La luz se propaga en el vacío con una velocidad de 300000 km/s.(a) Calcula el tiempo que tarda en recorrer 1000 km.(b) Calcula la distancia que recorre en una milésima de segundo.(c) Compara estos resultados con los del ejercicio 2. 4 Contesta al apartado (a) (Gp:) Como en los ejercicios anteriores:
Contesta al apartado (b) Contesta al apartado (c) El tiempo que tarda la luz en recorrer 1000 km es unas 900 veces menor que el que tarda el sonido en recorrer 1 km. La velocidad de la luz es unas 900000 veces mayor que la velocidad del sonido.
La velocidad de propagación de una onda depende del medio de propagación. La tabla siguiente muestra la velocidad del sonido en distintos medios.(a) Calcula el tiempo que tarda el sonido en recorrer 10,0 km a través del aire.(b) Calcula el tiempo que tarda en recorrer la misma distancia a través de los raíles de un tren. 5 Contesta al apartado (a) (Gp:) Utilizando la misma expresión que en ejercicios anteriores, tomando la velocidad del sonido en el aire:
Contesta al apartado (b) (Gp:) Utilizando la misma expresión tomando la velocidad del sonido en el acero:
Una forma de saber la distancia a la que nos encontramos de una tormenta consiste en medir el tiempo que transcurre entre que vemos el relámpago y oímos el trueno. Si ese tiempo es de 5 segundos, ¿a qué distancia se encuentra la tormenta? 6 ¿Qué entiendes por rayo en una tormenta?¿Y por trueno? Ambos fenómenos los percibimos, pero no a la vez. ¿Por qué? El rayo es una descarga eléctrica entre las nubes y la Tierra. Un trueno es el estruendo (sonido) que se produce en el aire por el paso del rayo. Se producen a la vez. Percibimos el rayo puesto que la luz se propaga hacia nosotros como onda electromagnética. El trueno lo percibimos como una onda sonora. No los percibimos a la vez pues la velocidad de la luz es unas 900000 veces mayor que la velocidad del sonido. Percibimos mucho antes el rayo que el trueno. ¿Cómo calcularías la distancia entre nosotros y la tormenta? Para calcular la distancia tenemos que utilizar el tiempo medido y la velocidad del sonido, pues la llegada de la luz es prácticamente, instantánea. El cálculo de la distancia es: d = vS·t = 330·5 = 1650 m = 1,65 km.
Un objeto realiza 5000 vibraciones en 40 segundos. Calcula la frecuencia y el período de la vibración. (Gp:) De la definición de frecuencia:
7 Acude a la ayuda si tienes dudas Calcula la frecuencia Calcula el período (Gp:) El período es el inverso de la frecuencia, es decir, el tiempo que transcurre al verificarse una oscilación:
Una onda se propaga en una cuerda a la velocidad de 2,0 m/s. A partir de ese dato completa las casillas de la tabla siguiente. 8 0,25 4,0 0,05 0,10 1,0 2,0 1,00 1,0 0,02 0,04
El sonido es una de las ondas que nos resultan más familiares. Las características de los distintos instrumentos se conocen por costumbre o por afición más que por conocimientos de Física. Contesta a las siguientes preguntas como buen aficionado a la música de calidad:(a) Cuando se toca un instrumento de cuerda, como la guitarra o el violín, se acorta la longitud de la cuerda con el dedo. ¿Qué sucede con el tono de la cuerda cuando se hace eso?(b) En música, la nota “sol” corresponde siempre a la misma frecuencia? 9 Contesta al apartado (a) La experiencia indica que al acortarse la cuerda el tono se hace más agudo, o lo que es equivalente, la frecuencia de la nota aumenta. Contesta al apartado (b) No sucede así; la escala musical consta de ocho notas llamadas octava, pero existen varias octavas, de modo que una nota en una octava tiene doble frecuencia que la misma nota de la octava anterior. La figura siguiente muestra intervalos de notas de diferentes instrumentos.
En la tabla que aparece en pantalla se dan desordenadamente las características del sonido y las causas que las provocan. Construye una tabla en la que se muestren correctamente las relaciones entre cada característica y su causa, poniéndolas en la misma horizontal. 10 Intensidad Tono Timbre Intensidad Tono Timbre
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