El movimiento ondulatorio se mide por la frecuencia, es decir, por el número de ciclos u oscilaciones que tiene por segundo. La unidad de frecuencia es el hertz (Hz), que equivale a un ciclo por segundo.
Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación.
Algunas clases de ondas precisan para propagarse de la existencia de un medio material que haga el papel de soporte de la perturbación; se denominan genéricamente ondas mecánicas. El sonido, las ondas que se forman en la superficie del agua, las ondas en cuerdas, son algunos ejemplos de ondas mecánicas y corresponden a compresiones, deformaciones y, en general, a perturbaciones del medio que se propagan a través suyo. Sin embargo, existen ondas que pueden propasarse aun en ausencia de medio material, es decir, en el vacío. Son las ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas luminosas.
Independientemente de esta diferenciación, existen ciertas características que son comunes a todas las ondas, cualquiera que sea su naturaleza, y que en conjunto definen el llamadocomportamiento ondulatorio, El tipo de movimiento característico de las ondas se denomina movimiento ondulatorio. Su propiedad esencial es que no implica un transporte de materia de un punto a otro. Las partículas constituyentes del medio se desplazan relativamente poco respecto de su posición de equilibrio. Lo que avanza y progresa no son ellas, sino la perturbación que transmiten unas a otras. El movimiento ondulatorio supone únicamente un transporte de energía y de cantidad de movimiento.
Junto a una primera clasificación de las ondas en mecánicas y electromagnéticas, es posible distinguir diferentes tipos de ondas atendiendo a criterios distintos. En relación con su ámbito de propagación las ondas pueden clasificarse en:
- Transversales: La perturbación del medio se lleva a cabo en dirección perpendicular a la de propagación. En las ondas producidas en la superficie del agua las partículas vibran de arriba a abajo y viceversa, mientras que el movimiento ondulatorio progresa en el plano perpendicular. Lo mismo sucede en el caso de una cuerda; cada punto vibra en vertical, pero la perturbación avanza según la dirección de la línea horizontal. Ambas son ondas transversales.
ONDAS MECÁNICAS
- Todas las ondas mecánicas requieren:
—Alguna fuente que cree la perturbación.
—Un
medio en el que se propague la perturbación.
—Algún
medio físico a través del cual elementos del medio puedan influir uno al otro.
—
Viajan
de un lugar a otro a través de un medio material, originando una perturbación
temporal en este medio, sin que el medio a su ves se transporte de un lugar a
otro.
Se
genera por la vibración de las partículas que conforman el medio elástico
debido a una perturbación.
—Ejemplos
En la membrana de un tambor
ELEMENTOS
DE UNA ONDA
Longitud
de onda ( L ): en una onda periódica es
la distancia entre dos crestas, dos valles o dos nodos no consecutivos.
Amplitud
(A): amplitud del máximo desplazamiento.
Periodo
(T): en una onda periódica es el intervalo del tiempo necesario para formar una
onda completa.
Frecuencia
(f): es el numero de ciclos que se forman por unidad de tiempo
Rapidez
de onda (v): magnitud
de velocidad de propagación de la onda (depende únicamente de las
características del medio).
VELOCIDAD
DE PROPAGACIÓN DE UNA ONDA EN UNA CUERDA
Habrás
notado que las guitarras tienen unas clavijas que sirven para aflojar o ajustar
las cuerdas. Cuanto más se ajusta una cuerda, más agudo es el sonido que se
genera, esto indica que la velocidad de propagación de la onda aumenta conforme
aumentamos la tensión en la cuerda.
También
habrás observado que las cuerdas delgadas emiten sonidos más agudos que las
gruesas. Para caracterizar esta propiedad usamos la densidad
lineal m
que se calcula como el cociente entre la masa m y
la longitud L de la cuerda.
La
velocidad de propagación de una onda en una cuerda está relacionada con la
tensión y la densidad lineal de la cuerda según la ecuación:
EJEMPLO
Una
cuerda de guitarra tiene una longitud de 0,8 m y una masa de 0,01 kg. La cuerda
es sometida a una tensión de 80N. Calcula la velocidad de propagación y la
longitud de onda si la cuerda vibra a una frecuencia de 400 Hz.
Solución:
Calculamos:
•La
densidad lineal:
2.La
velocidad de propagación:
3.
La longitud de onda:
ONDAS
Se podría definir una onda como una perturbación que se propaga por el espacio y que es capaz de transportar energía de un punto a otro, pero no materia.
El periodo o ciclo (T) de una onda es el tiempo que tarda en tener lugar una vibración completa.
La frecuencia (f) del movimiento ondulatorio se define como el número de oscilaciones completas o ciclos por segundo (f=1/T). La unidad de frecuencia es el hertzio (hz.), que toma el nombre del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz, 1 Hertz = ciclo por segundo.
La amplitud es el desplazamiento máximo desde la posición de equilibrio.
La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos máximos o senos consecutivos de la onda.
La velocidad de propagación (V) de las compresiones o la velocidad de fase de la onda es igual al producto de la frecuencia por la longitud de onda: v= f.λ.
Existen diversas clasificaciones (todas incompletas) para las ondas. En una de ellas hablamos de ondas longitudinales y ondas transversales.
ONDAS TRANSVERSALES
Las ondas que provocan un movimiento oscilatorio de las partículas del medio de transmisión en dirección perpendicular a la de propagación se llaman ondas transversales. Tal es el caso por ejemplo de las ondas electromagnéticas y de las ondas S en un medio elástico. Cuando arrojamos una piedra a un estanque,creamos una perturbación que se propaga en el agua.
La onda puede ser descrita por una magnitud A llamada amplitud que varía en función de la distancia x al punto de impacto. Podemos identificar la amplitud A(x) con la distancia que nos indique la variación del nivel del agua respecto de su estado en reposo. Su unidad es el metro (m) en el SI.
ONDAS LONGITUDINALES
Tal es el caso por ejemplo de las ondas de presión en un fluido y de las ondas tipo P en un medio elástico.
Un ejemplo muy importante lo constituyen las ondas sonoras propagándose en cualquier medio material (sólido, líquido o gaseoso). Durante la propagación de la onda, las moléculas del medio oscilan en la dirección de propagación. Otro ejemplo de estás ondas es el de una onda en un muelle como se muestra a continuación.
SONIDO
El sonido es el resultado de una vibración que se transmite por medio de ondas a través del medio en el que se ha producido originalmente.
Por lo evidente, no nos extraña nada en absoluto la percepción que a diario tenemos en nuestros oídos de aquellos sonidos que se producen en algún punto más o menos alejado de nosotros. Si tenemos en cuenta que el espacio que nos rodea está lleno de aire, es fácil deducir que el sonido tiene la propiedad de desplazarse a través de dicho medio. Sin embargo, a pesar de que los sonidos producidos sean de una magnitud elevada, la distancia que pueden recorrer es relativamente escasa, a lo sumo de algunas centenas de metros, o, en el caso de los más estruendosos y atronadores,varios kilómetros de distancia.
Como vemos, la distancia que podemos alcanzar transmitiendo un sonido como tal es francamente corta y además depende excesivamente de las condiciones atmosféricas que nos rodeen en el momento de producirlo.
La vibración del elástico produce un sonido
CUALIDADES DEL SONIDO
Generalmente se utilizan cuatro cualidades subjetivas para describir un sonido musical: intensidad, tono, timbre y duración. Cada uno de estos atributos depende de uno o más parámetros físicos que pueden ser medidos.
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Desde el punto de vista de la intensidad, los sonidos pueden dividirse en fuertes y débiles. La intensidaddepende principalmente de la presión sonora (intensidad), pero también del espectro de parciales y de la duración.
El tono o altura es la cualidad que nos permite distinguir entre un sonido agudo o alto y otro grave o bajo. Para un sonido puro el tono viene determinado principalmente por la frecuencia, aunque también puede cambiar con la presión y la envolvente.
El timbre de un sonido es la cualidad en virtud de la que podemos distinguir dos sonidos de igual frecuencia e intensidad emitidos por dos focos sonoros diferentes. El timbre se debe a que generalmente un sonido no es puro y depende principalmente del espectro. Pero también depende en gran manera de la envolvente y de la frecuencia.
La duración física de un sonido y la percibida están muy relacionadas aunque no son exactamente lo mismo. La duración percibida es aquel intervalo temporal en el que el sonido persiste sin discontinuidad.
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VELOCIDAD DEL SONIDO EN DISTINTOS MEDIOS Y EFECTO DOPPLER
El sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s a temperatura normal (aproximadamente a 20º).
Para que el sonido pueda llegar a nuestros oídos necesita un espacio o medio de propagación, este normalmente suele ser el aire la velocidad de propagación del sonido en el aire es de unos 334 m/s y a 0º es de 331,6 m/s.
La velocidad de propagación es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta y es alrededor de 12 m/s mayor a 20º.
La velocidad es siempre independiente de la presión atmosférica. Como hemos visto cuando mayor sea la temperatura del ambiente menos rápido llegara el sonido a nuestros oídos, es por eso que algunas personas dicen que "en invierno se suele escuchar mejor" es decir, a mayor temperatura menor respuesta del sonido en el aire.
MEDIO
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TEMPERATURA (C°)
|
VELOCIDAD (m/s)
|
Aire
|
0
|
331,46
|
Argón
|
0
|
319
|
Bióxido de Carbono
|
0
|
260,3
|
Hidrógeno
|
0
|
1286
|
Helio
|
0
|
970
|
Nitrógeno
|
0
|
333,64
|
Oxigeno
|
0
|
314,84
|
Agua destilada
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20
|
1484
|
Agua de mar
|
15
|
1509,7
|
Mercurio
|
20
|
1451
|
Aluminio
|
17-25
|
6400
|
Vidrio
|
17-25
|
5260
|
Oro
|
17-25
|
3240
|
Hierro
|
17-25
|
5930
|
Plomo
|
17-25
|
2400
|
Plata
|
17-25
|
3700
|
Acero inoxidable
|
17-25
|
5740
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El sonido se propaga a diferentes velocidades en medios de distinta densidad. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases (como el aire). La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de unos 1.509,7 m/s en el agua y de unos 5.930 m/s en el acero Un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente.
Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero el movimiento se propaga a través del medio. Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia.
No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio.
El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora.
El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. El sonido no se propaga en el vacío.
El efecto Doppler
Es el aparente cambio en la frecuencia de un sonido dependiendo de la posición del observador con respecto a la fuente del sonido.
Por ejemplo, si un observador está enfrente de una ambulancia en movimiento, la frecuencia del sonido la percibirá mayor que si se encuentra detrás de la ambulancia. Esto es debido a que cuando está enfrente le llegan más crestas de onda por segundo que si se encuentra detrás.
