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TALLER DE FISICA
GRADO ONCE
SONIDO
María del socorro Leytón
LAS ONDAS SONORAS
En su origen la acústica tenia por objeto el estudio de las
ondas que impresionaban nuestro sentido del oído, ondas que
denominamos ondas sonaras o sonidos. Pero su dominio se
amplio y comprende ahora las ondas que tienen las mismas
propiedades físicas que el sonido, como son los ultrasonidos.
Los sonidos pueden clasificarse en ruidos, onda no periódica
o pulso, como por ejemplo el sonido producido por un tiro de
cañón, onda periódica como el sonido producido por un
violín.
NATURALEZA DEL SONIDO
El origen del sonido es un movimiento vibratorio, producido
por cuerpos en movimiento periódico. Puede ser cuerdas
vibrantes, tubos sonoros etc. Los sonidos de la voz son
producidos por las vibraciones de las cuerdas vocales, cuya
tensión es regulada por los músculos.
Pero no todos los movimientos vibratorios producen sonidos.
Solo las vibraciones de frecuencia de 20 hasta 20.000 hz
producen sensación de sonido. Este limite superior es
variable según la edad, mientras los niños pueden oír hasta
25.000hz, en la vejez se llega difícilmente hasta 12.000hz.. se
acostumbra denominar infrasonidos a las ondas sonoras cuya
frecuencia es menor de 16 hz ultrasonidos y ultrasonidos a
los de frecuencia mayor de 20.000hz
PROPAGACION DEL SONIDO
La propagación de la onda sonora necesita uno o varios
medios elásticos interpuestos entre la fuente sonora y el oído.
Generalmente el aire es el que sirve de medio elástico en
cuyo caso la velocidad de propagación es del orden de
340m/s a 20°C. pero también los sólidos y los líquidos
transmiten los sonidos. Por ejemplo los nadadores debajo del
agua oyen; y los peces huyen cuando perciben ruidos. Se
puede oír la llegada de un tren o de un auto, pegando el oído
en el riel o en la carretera.
La velocidad del sonido disminuye cuando el aire es menos
denso.
La velocidad del sonido en el aire varia 0.6m/s por cada
grado Celsius de temperatura , por lo tanto se puede calcular
con la siguiente expresión.
V= Vo + 0.6 m . t
s°C
La velocidad de propagación del sonido también se puede
calcular conociendo la distancia recorrida y el tiempo
empleado en recorrerla, mediante la expresión:
V = x / t también se puede utiliza V= λ.f ó V = λ / T
RECEPCION DEL SONIDO
De los numerosos detectores del sonido mencionemos los
siguientes :
-El oído humano: las ondas sonoras entran en el oído y
golpean una membrana elástica, llamada el tímpano, que
vibra por resonancia a la misma frecuencia que la onda. Una
cadena de tres huesecitos transmiten las vibraciones,
ampliándolas, a un fluido situado en el oído interno. Los
movimientos del fluido son detectados por fibras de longitud
y espesores diferentes que vibren cada una con su frecuencia
propia. Las vibraciones de las fibras se transforman en
Timbre:
señales eléctricas que son llevadas por los nervios auditivos
hasta el cerebro en donde la sensación de sonido se realiza.
-Micrófono: trabaja con el mismo principio que el oído. Las
ondas sonoras ponen a vibrar una membrana y esta produce
pequeñas señales eléctricas que deben ser ampliadas y que se
puede llevar después hasta un altavoz o una grabadora.
FENOMENOS ACUSTICOS
a. Reflexión: Cuando la onda sonora choca contra un
obstáculo, la onda cambia de dirección de propagación
b. Refracción: Cuando la onda sonora cambia de medio de
propagación se produce una variación en la velocidad de
propagación.
c. Difracción: Cuando la onda sonora bordea un obstáculo
o paso a través de una abertura se produce un cambio en
la curvatura de la onda.
d. Principio de interferencia: Cuando en un punto del
espacio se encuentran dos o mas ondas sonoras, en dicho
punto la amplitud de la onda es igual a la suma
algebraica de las amplitudes de las ondas incidentes
CUALIDADES DEL SONIDO
Las cualidades del sonido son aquellas características que
permiten diferenciar unos sonidos de otros. En la audición se
distinguen tres cualidades del sonido: tono o altura,
intensidad y timbre
Tono o altura
Es la característica del sonido por la cual una persona distingue
sonidos graves y agudos. El tono esta relacionado con la
frecuencia del sonido: cuanto mayor es la frecuencia mas agudo
es el sonido y si la frecuencia es baja, el tono es grave.
Intensidad
Es la característica del sonido por la cual el oído distingue
sonidos fuertes y sonidos débiles, o que tan cerca o lejos esta la
fuente sonora.
a. Intensidad física: La intensidad física esta relacionada con
la cantidad de energía que transporta la onda sonora, en la
unidad de tiempo, a través de la unidad de superficie, tomada
perpendicularmente a la dirección en que se propaga.
Intensidad = Potencia / Área o I = P / A
Pero Potencia = Energía / tiempo o P = E / t
de donde I = E / At
Unidades de la intensidad física:
I = E / A .t = J / m².s = W/ m² es decir la intensidad física se
mide en watios por metro cuadrado. La intensidad física
depende de la cantidad de energía que transporta la onda; y esta
a su vez es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda.
b. Intensidad Auditiva
corresponde a la sensación percibida por nuestro oído, depende
de la intensidad física y otros factores característicos de nuestro
aparato auditivo.
B = log ( I / Io ) Donde B es intensidad auditiva, I intensidad
física y Io = 10 -12 W / m² o Io = 10 -16 W / cm²
El nivel de intensidad de un sonido se mide en beles (b) o
decibeles (db); por lo tanto
B = log ( I / Io )b B = 10 log ( I / Io ) db
Cualidad del sonido que permite diferenciar la fuente que emite
el sonido
FUENTES SONORAS
Es todo cuerpo vibrante capaz de producir ondas elásticas en el
medio que lo rodea. Como son cuerdas y tubos sonoros
Cuerdas Sonoras: Cuando se hace que vibre la cuerda, se
producen en ellas ondas estacionarias debidas a la interferencia
que tiene lugar, entre ondas que avanzan en sentidos opuestos,
con la particularidad de que cada uno de los extremos se
encuentra un nodo; y en la parte central de la cuerda se forma
un vientre
Ecuación de la frecuencia del sonido producido por una cuerda
fn = n v / 2L
donde n es el armónico, v la velocidad y L es la longitud de
onda
Tubos sonoros: Son cavidades que contienen aire y producen
sonidos al hacer vibrar las moléculas encerradas. Existen dos
tipos de tubos los abiertos y los cerrados
Tubos abiertos: fn = n.v / 2L
Tubos cerrados : fn = n.v / 4L
Resonancia acústica: Fenómeno que se presenta con objetos
que pueden vibrar y ocurre cuando coincide la frecuencia
fundamental o de uno de sus armónicos que puede emitir el
cuerpo con la frecuencia de una onda que le llega haciéndolo
vibrar.
EFECTO DOPPLER
Es la variación de frecuencia percibida por un observador
cuando este o la fuente se mueve con respecto al medio.
Análisis de las diferentes situaciones presentadas en el efecto
Doppler
Para ello tener en cuenta:
fo: La frecuencia percibida por el observador
f: La frecuencia propia de la fuente
Vo: La velocidad del observador respecto al medio
Vf: La velocidad de la fuente respecto al medio .
V. La velocidad del sonido
1. Cuando el observador se mueve con relación al medio y la
fuente permanece en reposo.
* Si el observador se mueve hacia la fuente
fo = f . ( V + Vo )
V
* Si el observador se aleja de la fuente
fo = f . ( V - Vo )
V
2. Cuando la fuente se mueve con relación al medio y el
observador permanece en reposo
* Si la fuente se acerca al observador
fo = f . V .
(V- Vf )
* Si la fuente se aleja del observador
fo = f . V .
( V+ Vf )
3. el observador y la fuente se mueven simultáneamente con
respecto al medio
* Si el observador y la fuente se dirigen uno hacia el otro.
fo = f . ( V + Vo )
( V- Vf )
* Si el observador y la fuente se alejan uno hacia el otro.
fo = f . ( V - Vo )
( V+ Vf )
OPTICA GEOMETRICA GRADO ONCE
María del socorro Leytón
Este campo de la óptica se ocupa de la aplicación de las leyes de
reflexión y refracción de la luz al diseño de lentes y otros
componentes de instrumentos ópticos.Reflexión y refracción
Refracción de la luz en diamantes El brillo de los diamantes se
debe a su elevado índice de refracción, aproximadamente 2,4. El
índice de refracción de un material transparente indica cuánto
desvía los rayos de luz. La habilidad del joyero reside en tallar las
facetas de modo que cada rayo de luz se refleje muchas veces antes
de salir de la piedra. El índice de refracción es ligeramente distinto
para cada color de la luz, por lo que la luz blanca se divide en sus
componentes dando lugar a los fuegos multicolores de los
diamantes.
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo
incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte
de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el
segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de
luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción
de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano
formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea
perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia.
El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la
normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo
análogo.
Reflexión en un espejo plano Los rayos de luz reflejados llegan al
ojo como si procedieran directamente del objeto. Éste es el motivo
por el cual vemos la imagen en el espejos.
puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada
(figura 2). En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto
de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que
inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como
rayos BD y CE. Para un observador situado delante del espejo,
esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del espejo. De
las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo
ángulo con la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en
el que el espejo es plano, la imagen del objeto parece situada detrás
del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre
éste y el objeto que está delante.
Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los
distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones
aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo
plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de
incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se
dispersen y no puedan formar una imagen.
Ley de Snell:
En la figura se muestra la
trayectoria de un rayo de luz
que atraviesa varios medios con superficies de separación
paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del
vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio
es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente
AB, pero resulta desplazado.
Esta importante ley, llamada así en honor del matemático
holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el
producto del índice de refracción del primer medio y el seno
del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del
índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo
de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la
normal a la superficie de separación de los medios en el
punto de incidencia están en un mismo plano. En general, el
índice de refracción de una sustancia transparente más densa
es mayor que el de un material menos denso, es decir, la
velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor
densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre
un medio con un índice de refracción mayor, se desviará
hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con
un índice de refracción menor, se desviará alejándose de
ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son
reflejados y refractados en esa misma dirección.
Para un observador situado en un medio menos denso, como
el aire, un objeto situado en un medio más denso parece
estar más cerca de la superficie de separación de lo que está
en realidad.
IMAGEN EN ESPEJOS PLANOS
Las características de la imagen que se obtienen de un
objeto situado frente a un espejo plano estan determinadas
por:
Campo del espejo: conjunto de puntos del espejo por los
cuales pueden pasar los rayos luminosos que inciden en el
espejo.
Imagen real: imagen que se obtiene en el campo del espejo
Imagen virtual: Imagen que se obtiene en puntos diferentes
al campo del espejo.
do = distancia del objeto al espacio
di = distancia de la imagen al espejo
Ho = tamaño del objeto
Hi = tamaño de la imagen
Para obtener la imagen de un punto situado en el campo del
espejo se trazan rayos luminosos que pasen por el objeto e
incidan en el espejo. Luego se aplica laley de la reflexion y
se trazan los rayos reflejados de tal manera que forman un
angulo con la normal igual al angulo formado por los rayos
incidentes.
IMAGEN EN ESPEJOS ANGULARES
Si el angulo entre los espejos varia,
el numero de imágenes que se
obtiene también varia y el numero
de estas se puede obtener por medi
de la expresión:
n = 360° - X / X
de donde n es el numero de
imágenes, x el angulo entre los
espejos
Las leyes de la reflexión afirman
que el ángulo de incidencia es
igual al ángulo de reflexión, y
que el rayo incidente, el rayo
reflejado y la normal en el punto
de incidencia se encuentran en
un mismo plano. Si la superficie
del segundo medio es lisa,
TALLER DE FÍSICA
ESPEJOS ESFERICOS
Al sacar de una esfera un casquete esférico se obtiene un
espejo esférico, el espejo es cóncavo si la superficie
reflectora es la interior y el espejo es convexo si la
superficie reflectora es la exterior.
ESPEJO CÓNCAVO ESPEJO CONVEXO
Elementos de un espejo esférico
* Campo del espejo. Conjunto de puntos del especio por
los cuales pueden pasar los rayos luminosos que inciden en
la superficie reflectora.
*Centro de curvatura: punto del espacio equidistante de
todos los puntos del espejo.
*Radio de curvatura: distancia del centro de curvatura al
espejo.
*Vértice del espejo: Punto medio del espacio
*Eje principal : Recta que pasa por el centro de curvatura