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Ficha temática

Ondas y sonidos

El siguiente recurso entrega información acerca de las ondas y sonidos. Repasa esta materia de física y profundiza los aspectos con los que has tenido dificultades.

Ondas y sonidos

Las ondas son un fenómeno muy particular, que corresponden a una forma de transmitir energía, pero sin transporte de materia. Por ejemplo, supongamos que golpeamos una vez la superficie del agua con el dedo. ¿Qué observamos? Es fácil darse cuenta que en este caso, se produce una alteración en la superficie del agua, la que se propaga alejándose del punto en que se produjo la perturbación. Lo que se propaga en este caso no es el agua, sino que la perturbación. Esta perturbación es energía (imagen de www.psicocenter.es)

gota

La unidad básica de una onda es el pulso. Un pulso es una porción de energía se propaga en el espacio como una perturbación., que en algunos casos puede ser una deformación o bien una superposición de campos eléctricos y magnéticos. Una sucesión de pulsos, constituye una onda.

Los pulsos pueden producirse al golpear periódicamente la superficie del agua, al sacudir una cuerda o resorte, o bien al mover periódicamente un imán.

¿Cómo transmitimos energía? Existe más de una respuesta para esta interrogante. en algunos casos, esto se puede hacer mediante la materia y en otros casos se puede hacer sin transporte de materia, como ocurre con las ondas. Veamos los siguientes casos:

Para derribar el dominó ubicado en la posición B, lanzamos una bolita desde A. en este caso, la bolita transportará energía hasta B, para producir así el efecto deseado. Es decir, en este caso la energía se transmite con transporte de materia.

dominó

Existe otro caso en que podemos transmitir la energía desde A hasta B, pero sin transportar materia. ¿de forma lo hacemos?

Supongamos que ahora ponemos entre A y B una serie de fichas dominó, tal como muestra la figura adjunta.

dominó 2

Si derribamos el primer dominó de una serie, veremos cómo uno a uno van cayendo. Es fácil observar en este caso, que “algo” viaja desde el primer hasta el último dominó.  En efecto, esté “algo” que se propaga, produce un efecto equivalente (aunque no es igual) a derribar el último dominó disparando hacia él una bolita.

En ambos casos lo que viaja desde A hasta B es energía. La diferencia en ambas situaciones consiste en que en el segundo caso no hay masa que se mueva entre estos dos puntos.

Aunque el segundo ejemplo, en que no hay desplazamiento de masa entre A y B suele eusarse para ejemplificar las ondas, es necesario aclarar que NO se trata de una onda. En efecto, tal como hemos dicho las ondas son transmisión de energía sin transporte de materia, sin embargo este fenómeno considera algo que no está presente en el caso de las ficha de dominó. Esto es el movimiento oscilatorio.

Si tiramos una piedra en un lago en que el agua está en reposo, vemos los frentes de ondas de forma circular que nacen en el lugar del impacto. Es fácil darse cuenta de que estos frentes de ondas no arrastran agua sobre la superficie del lago o estanque, sino que producen una deformación (oscilación) sobre la superficie, la que vuelve a su forma original después de pasar la onda. Es decir, la onda se propaga a través de oscilaciones, situación que no se observa en el caso de los dominó, los que no oscilan, ya que no vuelven a su posición original.

Un ejemplo importante de analizar es el que ocurre en una cuerda o resorte largo cuando agitamos uno de sus extremos. En este caso, decimos que aquí se produce una onda que se propaga a lo largo de la cuerda, pues no hay materia que viaje de un punto al otro. Cuando se trata de una perturbación que se propaga sin que haya transporte de materia, hablaremos de pulso, a diferencia de lo que se produce cuando agitamos regularmente la mano, en que hablaremos de tren de ondas, onda periódica o simplemente onda, es decir, una sucesión de pulsos.

Ejemplo de ondas con cuerda

Es importante observar que en estos ejemplos las partículas de la cuerda o resorte oscilan perpendicularmente a la dirección en que viaja la onda. Por esta razón, a este tipo de ondas se las denomina transversales.  En nuestra vida cotidiana, existen varios tipos de ondas transversales, como las que se producen en la superficie del agua, en las cuerdas de una guitarra, en el “parche” de un tambor, o al sacudir una sábana.

Si experimentamos con un resorte, y lo movemos de manera paralela a su eje central, es decir podemos mover uno de sus extremos en la misma dirección en que está dispuesto, lo que se generará será una onda longitudinal. La onda longitudinal se caracteriza porque en ella las oscilaciones son paralelas a la dirección de propagación de la onda, tal como ocurre con el sonido, que es una onda longitudinal. 

Ejemplo tipos de onda

Los sonidos que nosotros oímos corresponden a ondas longitudinales, no obstante se los represente comúnmente como ondas transversales, pues ellas son más fáciles de visualizar y representar gráficamente.
En la figura siguiente se ilustra un pulso de forma arbitraria en que las pequeñas flechas indican cómo se está moviendo en el instante representado cada una de las partes del medio por donde está viajando la onda.

Representación de pulso

En una onda periódica todas las partículas del medio por donde viajan deben poseer el mismo período de oscilación (T) y la misma frecuencia (f). Por lo tanto, diremos que estos son los períodos y frecuencias de la onda. Además, todas las partículas poseen la misma amplitud (A) y ella será a su vez la amplitud de la onda. La distancia entre dos partículas consecutivas que posean el mismo estado de movimiento en un instante, la denominaremos longitud de onda y la representaremos con a letra lambda (l). Estas dos últimas magnitudes se representan en la figura siguiente.

Representación amplitud y longitud de onda

Es importante no confundir la amplitud de onda con la longitud de onda. A pesar de la semejanza entre estos términos, se trata de conceptos físicos muy distintos.

La relación más importante en este contexto es la que existe entre la frecuencia (f), la longitud de onda (l) y la velocidad de la onda (V); esta es, para todo tipo de ondas: V = lf

Como la velocidad de una onda en un medio homogéneo es constante y es una característica del medio, no depende de f ni de l. Es decir, si en una cuerda dada sometida a las mismas condiciones se generan ondas con distintas frecuencias, se obtendrán diferentes longitudes de ondas. Lo mismo ocurre con el sonido. Por ejemplo, en el aire los sonidos se propagan con una velocidad de 340 m/s, razón por la cual un sonido de 100 hertz tendrá una longitud de onda de 3,4 metros, y un sonido de 2.000 hertz una de 0,17 metros (17 centímetros). Verifica estos cálculos.

Esto último no es trivial, en efecto, en un mismo medio la velocidad de propagación será la misma. Si aumentamos la frecuencia, disminuirá la longitud de onda, pero la velocidad permanecerá constante. del mismo modo, cada vez que disminuye la frecuencia, aumenta la longitud de onda. En otras palabras l y f son inversamente proporcionales en un mismo medio.

En el caso particular de una cuerda o un resorte liviano que se encuentre tensado y por el cual se propaguen ondas, la rapidez de éstas está dada por la siguiente relación:

velocidad

Donde
F es la fuerza (tensión) con que se estira la cuerda o resorte (en newton)
L es la longitud o largo de la cuerda (en metros)
m es la masa de la cuerda (en kg)
V es la velocidad de propagación (en m/s)

Tal como hemos hablado anteriormente, los seres humanos percibimos sonidos cuyo tono está comprendido entre 20 y 20000 Hz aproximadamente,  llamando así infrasonidos a las ondas que tienen frecuencia inferior a 20 Hz y ultrasonido a aquellas cuya altura supere los 20000 Hz. Esto se representa gráficamente mediante el “espectro sonoro”, tal como se muestra a continuación.

Diagrama de espectro sonoro

Es importante destacar en relación al espectro sonoro, que los ultrasonidos y los infrasonidos no son sonidos propiamente, ya que éste se define en base a lo que el ser humano puede escuchar. No obstante, ambos fenómenos son ondas acústicas similares al sonido ya que tienen las mismas características pero sólo varía su frecuencia.
Como se trata de ondas similares; en un mismo medio de propagación tanto el ultrasonido, como el sonido y el infrasonido tienen igual rapidez de propagación del mismo modo, es importante reconocer que el ultrasonido no es por si solo una onda de alta intensidad, como tampoco es cierto que el infrasonido sea más débil simplemente por su naturaleza. Es importante siempre tener en cuenta que la energía que transporta una onda acústica depende exclusivamente de su amplitud, no de su frecuencia.

Reflexión de una onda. Supongamos que una onda que viaja a través de una cuerda cuyo extremo se encuentra unido a un sólida pared. ¿Qué pasa cuando un pulso llega al extremo de la cuerda por donde viaja? Como consecuencia de la ley de conservación de la energía, la onda no puede desaparecer, hecho que explica muy bien el que se refleje. Esta reflexión depende de las condiciones en que se halle el extremo, el cual puede estar fijo o imposibilitado de moverse, como ocurre cuando la cuerda está amarrada, o libre, cuando el extremo de la cuerda está suelto. El siguiente esquema muestra cómo ocurre la reflexión en ambos casos.

Ejemplos de reflexión

ONDAS Y SONIDOS

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Ondas y sonidos

 

En esta ficha, se revisa el concepto de onda en una cuerda, destacando sus elementos, magnitudes y relaciones entre ellas. De esta forma se orienta a identificar en un perfil de onda los elementos de ésta, comprender la relación entre los factores que determinan su rapidez en una cuerda (o resorte); aplicar las relaciones entre algunas magnitudes y diferenciar entre ondas longitudinales y ondas transversales.

 

Para lograr una adecuada apropiación de los contenidos, se propone en primer lugar el empleo de material concreto, específicamente un resorte (puede ser de plástico) o en último lugar una cuerda que pueda servir para ilustrar el fenómeno de transmisión de energía sin transporte de materia. Del mismo modo, se puede introducir el concepto de pulso o perturbación en un medio, con un recipiente amplio que contenga agua, con un pequeño cuerpo flotador (corcho) en el que se pueda observar cómo el medio oscila (el corcho sube y baja) cuando avanza la perturbación (energía), pero el corcho o flotador no cambia de posición (la perturbación no transporta energía.

 

Ejemplos

 

Corcho en el agua

Boya de pesca

 

corcho

 Boya

 

Respecto de las ondas transversales y longitudinales, es necesario emplear el mayor número de ejemplos posibles, ya que la visualización de las ondas longitudinales es relativamente difícil. No obstante, con un resorte es relativamente fácil observar ambos tipos de onda.

 

 

Ejemplo:

 

Ondas transversales

Ondas longitudinales

 

resolte

imagen

 

 

 

 

Mediante ondas transversales observadas en el resorte o cuerda, o bien en un perfil dibujado en la pizarra, son fácilmente identificables los elementos de una onda (amplitud, longitud de onda, monte, valle). Es importante en este tema, destacar que independientemente de las relaciones operacionales entre longitud de onda, frecuencia y velocidad de propagación, esta última variable depende exclusivamente de la elasticidad del medio.

 

En este punto es importante introducir algunos ejercicios de aplicación de estas relaciones, de tal forma que el estudiante se apropie de la descripción matemática de las ondas.

 

Ejemplos:

 

1.      En condiciones normales el sonido en el aire se propaga con una rapidez de 340 m/s.

 

a)      ¿Cuál es la longitud de onda de la voz de una persona que habla en promedio con una frecuencia de 1000 Hz? (0,34 m)

 

b)      ¿Qué ocurre con la rapidez del sonido en el aire si se duplica su rapidez? (Permanece constante, ya que ésta depende del medio, no de la frecuencia)

 

 

2.      En la superficie de cierto líquido se producen ondas transversales, golpeando la superficie 15 veces en ½ minuto. Se observa además que la distancia entre dos crestas sucesivas es de 0,6 metros.

 

a)      ¿Cuál es el valor de la frecuencia de las ondas en este líquido? (0,5 Hz)

b)      ¿Cuál es el valor de la longitud de onda? (0,6 m)

c)      ¿Con qué rapidez viajan las ondas? (0,3 m/s)

 

También mediante un resorte, es relativamente sencillo observar cómo la tensión aplicada a éste incide en el valor de la rapidez con que viajan los pulsos, lo que sumado a lo significativo de esta experiencia, la hacen muy recomendable.

Información

Técnica

Descripción BreveEl siguiente recurso entrega información acerca de las ondas y sonidos. Repasa esta materia de física y profundiza los aspectos con los que has tenido dificultades.
Temas relacionados

>> Presentación: Características de una onda

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IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
1° medioFísicaLa materia y sus transformaciones

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