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MÓDULO 1 (Nivel: Primero Medio)

Eje Temático: Física: (El sonido - La luz - La electricidad)

Contenidos Curriculares:

Vibraciones y sonido - Naturaleza de la luz - Carga y Corriente eléctrica

Vibraciones y sonido

Pese a que el sonido puede definirse de diversas formas, su concepción más básica, se relaciona con su capacidad de estimular nuestra percepción auditiva. En otras palabras, aunque suene obvio, sonido es lo que escuchamos, es decir, aquellas perturbaciones y/o estímulos que activan nuestros tímpanos haciéndonos oír.

De una u otra forma, todos los sonidos se originan en la vibración de un cuerpo o porción de sustancia (sólido, líquido o gas) que vibra y transmite esta vibración al medio que le rodea o a los objetos con los que están haciendo contacto. Por ejemplo, si golpeamos la superficie de una mesa, esta vibrará y trasmitirá dicha vibración al aire y al suelo. Las vibraciones que se transmiten por el aire hacen estimulan nuestros tímpanos, los que trasmiten el movimiento a la cadena de huesecillos, etc., produciendo finalmente la sensación sonora. No obstante, tal como señalaremos más adelante, no todas las vibraciones son capaces de producir sonidos.

Habitualmente, al estudiar el sonido clasificamos los objetos que vibran en: cuerdas, láminas y cavidades, aun cuando muchas veces los sonidos que escuchamos provienen simultáneamente de estas tres fuentes. Así ocurre en una guitarra acústica, un violín y en un piano.

Desde el punto de vista físico, un sonido tiene tres características que permiten identificarlos y diferenciarlos de otros, dichas características se denominan cualidades del sonido, y corresponden a  la altura, la intensidad y el timbre. La altura corresponde físicamente a la frecuencia de la vibración, la intensidad  está asociada a la amplitud de la vibración y el timbre a la forma de la vibración.

¿Qué significa cada uno de estos términos?

Revisemos primero la idea de frecuencia.

Si cuelgas de un hilo una piedra y la haces oscilar como un péndulo, podrás reconocer fácilmente la frecuencia de la oscilación y su amplitud. La frecuencia corresponde al número de oscilaciones que realiza en la unidad de tiempo, esta unidad de tiempo en el sistema internacional de unidades, corresponde al segundo. Por ejemplo, si realiza el péndulo realiza 15 oscilaciones en medio segundo (30 s), su frecuencia será 0,5 oscilaciones por segundo, que resulta de dividir el número total de oscilaciones por el tiempo empleado en producirlas:

oscilaciones por segundo

Dado que la frecuencia puede expresarse en oscilaciones/segundo; ciclos/segundo; vibraciones/segundo, etc. es conveniente uniformar estas expresiones empleando la unidad del sistema internacional, que es el Hertz [Hz], de modo que podemos escribir:

FRECUENCIA= 0,5 [Hz]

Es importante notar que el tiempo que tarda un péndulo en realizar una oscilación completa, es decir, el tiempo que tarda en ir y volver, es lo que denominamos período de la oscilación. Aunque de manera análoga a la frecuencia se puede determinar dividiendo el tiempo por el número de oscilaciones producidas, es posible demostrar que si designamos por T al período f a la frecuencia, entonces podemos escribir:

f igual a uno partido por T

Es decir, frecuencia y período de oscilación son magnitudes inversamente proporcionales. Esto, que es muy claro para el caso del péndulo, también es válido para las vibraciones de las cuerdas, láminas y de las partículas del aire.

La nota La, que emite una cuerda de guitarra o un simple diapasón, corresponde a 440 hertz, es decir, 4400 vibraciones en cada segundo. Decíamos anteriormente que no todas las vibraciones producen sonido, debido a que nuestros oídos sólo perciben vibraciones comprendidas entre los 16 hertz y los 20000 Hz (aproximadamente). Evidentemente, este rango varía de una persona a otra y, en cada persona, suele irse reduciendo con la edad.

Es muy común que en nuestro lenguaje cotidiano, al hablar de altura o tono de un sonido, confundamos algunos términos o bien al referirnos a esta cualidad, lo hagamos de manea errónea. Por ejemplo, ¿te has fijado que en ocasiones, cuando hablamos con voz fuerte o potente, nos dice que “bajemos el tono”? o bien… ¿no hables “tan alto”?.  Pues bien, en ambos casos la idea de tono o altura se usa de manera errónea. Efectivamente tono y altura son equivalentes, pero no corresponden a la potencia, sonoridad o “volumen” de un sonido. La altura de un sonido o tono, corresponde a la percepción sicoacústica que tenemos de la frecuencia. De esta forma, decimos que un sonido es alto (o tiene tono alto), cuando tiene una frecuencia alta.
De manera análoga, un sonido es bajo (o tiene tono bajo) cuando su frecuencia es baja.

Es importante señalar en relación a la altura del sonido que no existe una frecuencia límite entre los sonidos bajos (también llamados graves) y los sonidos altos (o agudos). Más bien, empleamos esta distinción cuando comparamos dos sonidos. Por ejemplo, podemos decir que:

• El sonido de un violín (a 2450 Hz) es más alto que el sonido de un fagot (a 500 Hz)
• La voz de una soprano es más aguda que la de un tenor.
• El trino de un pájaro es más alto que un cañonazo.

En este último ejemplo, es conveniente reforzar la idea siguiente: un sonido alto no es necesariamente un sonido “fuerte” o potente. Ya que el estampido de un cañonazo es muy fuerte, pero es un sonido de baja frecuencia y por lo tanto bajo o grave.

En síntesis, el tono o altura de un sonido entonces, es la percepción sicoacústica de la frecuencia, lo que nos hace distinguir entre sonidos agudos (de gran frecuencia) y sonidos graves (de baja frecuencia).

Dentro de este mismo concepto, es decir, la altura se un sonido, es conveniente señalar que cuando las ondas acústicas están fuera del rango de frecuencias audibles para el ser humano, constituyen infrasonidos o ultrasonidos, dependiendo de si su frecuencia es inferior a 20 Hz o superior a 20000 Hz.

Se denominan infrasonidos a las vibraciones acústicas que están por debajo de los 20 hertz y ultrasonidos a las que están por encima de los 20.000 hertz. Hay animales que perciben un espectro sonoro más amplio que nosotros. Los perros, por ejemplo, captan sonidos de entre 40 y 46.000 hertz y los caballos, de entre 31 y 40.000; los elefantes y las vacas advierten incluso los infrasonidos.

¿Qué es la intensidad?

Tal como hemos señalado, no hay que confundir la altura de un sonido con su intensidad o con su sonoridad. La intensidad de un sonido, es una medida de la potencia del sonido por unidad de área; y se mide en watt/m2.

Podemos hacer corresponder la intensidad a la amplitud de la oscilación. En el caso del péndulo, esta última corresponde a la separación máxima que alcanza la piedra de su posición de equilibrio estable, tal como se muestra en la figura siguiente.

 

Ejemplo de oscilación con péndulo

Si bien la amplitud de una oscilación puede ser medida en metros o centímetros por tratarse de una distancia, cuando hablamos de intensidad del sonido y su percepción, son otras las unidades que empleamos. En efecto, físicamente la intensidad se mide en watt/metro2; es decir, la potencia del sonido por unidad de área.
El umbral de audición (I0), es decir, la intensidad mínima audible por el ser humano, equivale a:

I0 = 10-12 [w/m2]

La sonoridad de un sonido corresponde a la percepción que nuestro oído tiene de la intensidad sonora. En efecto esta magnitud es relativa, ya que dependiendo de la edad de una persona, su capacidad de percibir el sonido puede variar, de tal forma que escucha “con menos volumen”. La diferencia principal que tiene esta magnitud con la intensidad, es que esta última se mide de manera objetiva, y no depende del observador. La percepción de la intensidad sonora, expresa en decibeles [dB], tal como se muestra en la escala de Bell.
Esta escala de sonoridad, asigna un nivel determinado (medido en decibeles,, a los sonidos de acuerdo a su intensidad, sin embargo no es lineal, ya que cada vez que un sonido aumenta multiplica su intensidad  por 10, esta escala suma 10 decibeles, tal como se muestra en el siguiente cuadro de ejemplo:

Fuente del Sonido

Nivel ( dB )

Intensidad

Umbral auditivo

0

I0

Respiración normal

10

10∙I0

Conversación en voz baja

30

1000∙I0

Biblioteca

40

10000∙I0

Conversación normal

60

1000000∙I0

Tráfico pesado

70

10000000∙I0

Fabrica promedio

90

1000000000∙I0

Maquina cortadora de metal

100

10000000000∙I0

Umbral del dolor

120

1000000000000∙I0

Motor a reacción a 30 m

140

100000000000000∙I0


 

Ejemplos de intensidad en decibeles

El timbre

El timbre de un sonido es aquello que nos permite distinguir la voz de dos personas que cantan una misma canción, o bien diferentes instrumentos que emiten una misma nota musical. Por ejemplo, dos sonidos de igual frecuencia (440 Hz) en un diapasón y una flauta se diferencian por su forma según se ilustra en la figura siguiente:

Ejemplo diferencia de timbre

En rigor, si bien el timbre de un sonido está dado por la forma de la onda, ésta a su vez está determinada por las características de la fuente sonora, es decir, del cuerpo, instrumento o persona que emite el sonido.

Hay varios fenómenos asociados al  sonido que verificamos a diario. Entre ellos tenemos:

a) Transmisión del sonido. Aun cuando nuestro oído está “diseñado” para percibir los sonidos que llegan a él a través de un medio gaseoso como el aire,  no solo se propaga por este medio. También se trasmite por otros medios materiales como madera, agua, concreto, acero, etc. y lo hace con distintas velocidades dependiendo de la elasticidad cada medio de propagación.
Al igual que todas las ondas mecánicas, el sonido requiere para propagarse un medio elástico, es decir, que al deformarse vuelva espontánea y rápidamente a su forma original. Cuando el sonido se propaga a través de un medio, lo hace mediante microscópicas deformaciones. En efecto, cuando el sonido viaja a través de un medio gaseoso se transmite mediante pequeñas variaciones de presión en el interior del fluido.
Aún cuando existen relaciones matemáticas que permiten calcular la velocidad de propagación del sonido en función de su frecuencia y longitud de onda, es importante destacar que la velocidad de propagación en un medio depende exclusivamente de la elasticidad del medio con excepción de otro factor.
Esto significa que en un mismo medio de propagación, todos los sonidos por igual se mueven con igual rapidez, independientemente de su altura, timbre o sonoridad. Así, por ejemplo, en el aire que respiramos esta rapidez es de unos 340 m/s, independientemente de su tono, intensidad o timbre.
Es muy importante puntualizar que la elasticidad no es sinónimo de densidad. Aunque en general es posible observar que el sonido se propaga más rápido en un líquido que en un gas y más rápido aún lo hace a través de un sólido. Sin embargo es la elasticidad del medio lo que determina la velocidad, aunque ducha elasticidad puede estar determinada por factores como la temperatura, densidad, presión, etc.

Por ejemplo:
• En el agua líquida (a unos 20° C) la rapidez del sonido es de unos 1500 m/s y en el acero de unos 5050 m/s.
• En el aire a 0°C la velocidad del sonido es de aproximadamente 331 m/s, sin embargo al calentar este gas hasta los 20°C aumenta hasta aproximadamente 340 m/s

Transmisión y refracción: cuando un sonido (u otra onda) cambia de medio de propagación, decimos que se refracta. Este fenómeno ocurre frecuentemente en nuestra vida cotidiana, por ejemplo cuando hablamos en una habitación y alguien nos escucha en otro lugar, se debe a que el sonido fue capaz de cambiar de medio de propagación. En este caso, decimos que se refractó desde el aire hacia desde el aire hacia el muro y se propagó por él. Luego volvió a refractarse pero desde el muro hacia el aire propagándose hasta la persona que nos escucha. Es importante destacar dos cosas en la refracción del sonido.

Cuando el sonido se refracta cambiando de medio, su frecuencia y su período no varían porque están determinados por la fuente que produce el sonido. Sin embargo, dado que la rapidez está determinada por el medio de propagación, ésta cambia. Del mismo modo, la longitud de onda (l), aumenta o disminuye en la misma proporción que cambia la velocidad de propagación. En otras palabras, si la velocidad aumenta la longitud de onda también. Por ejemplo:

• Si el sonido se refracta desde el aira hasta el agua, quintuplicándose su velocidad, su longitud de onda aumentará cinco veces, pero la frecuencia quedará igual.
• Si el sonido se refracta desde el acero hasta un medio en el que su velocidad disminuye a la cuarta parte, su longitud de onda también disminuirá a la cuarta parte. En este caso, tampoco se altera la frecuencia del sonido.

Tal como ya hemos dicho, es importante destacar que la transmisión del sonido se produce en medios elásticos, independientemente que podamos o no observar las deformaciones; tal como ocurre con el acero, que aparentemente consideramos muy duro, sin embargo es muy elástico para el sonido, ya que en él se producen deformaciones microscópicas muy rápido, por lo que el sonido viaja también muy rápido en este material. Lo mismo ocurre con el concreto (hormigón), la roca, la madera seca, etc.

b) Reflexión y absorción. El sonido cuando se encuentra con un obstáculo o la superficie de otro medio de propagación, se refleja, es decir, cambia la dirección de su movimiento pero sin cambiar de medio de propagación. En este fenómeno, ya que no hay cambio de medio de propagación, no hay cambio de rapidez ni de longitud de onda. Del mismo modo, como la frecuencia y el período están determinados por la fuente que produce el sonido, tampoco cambian. Es decir, en la reflexión sólo cambia la dirección en que se propaga el sonido.
Para producir la reflexión, el sonido debe incidir sobre superficies rígidas, compactas y luisas, como las paredes de hormigón, roca o aquellas cubiertas de cerámica. También es un buen “espejo acústico” la madera seca o revestimientos como melamina.

Absorción

Como ya sabemos, la reflexión se produce cuando el sonido que viaja a través de un medio (como el aire) incide sobre  un material muy rígido y compacto, como es el caso de una roca o un muro de concreto, que sólo absorben una pequeña parte del sonido, de tal forma que prácticamente toda la onda cambia de dirección. Ocurre lo contrario cuando éste llega a un medio como la tela de una cortina o a un muro tapizado de corcho, materiales de baja elasticidad que absorben la mayor parte de él. Es decir, en la absorción el sonido transfiere parte de su energía (o toda) a un medio de baja elasticidad, de tal forma que disminuye su sonoridad. Es necesario puntualizar que la absorción en general se da en todos los medios, Por ejemplo, cuando un sonido se propaga por el aire, paulatinamente va disminuyendo su sonoridad lo que por una parte se atribuye a la disminución de la intensidad, pero por otra parte también se debe a la absorción que experimenta en el aire. Cuando el sonido que viaja a través de un medio está siendo absorbido, sólo disminuye su amplitud, pero su tanto su frecuencia como su velocidad permanecen constantes.

El eco y la reverberancia

Aunque a veces se habla de reflexión y eco como si fueran lo mismo, es importante puntualizar que ambos fenómenos están relacionados pero no son lo mismo, tal como señalaremos a continuación el eco es un caso especial de la reflexión.
Aún cuando el eco es tipo de reflexión, no todas las reflexiones constituyen eco. En efecto, el eco se produce cuando podemos distinguir de manera nítida el sonido emitido del sonido reflejado, para lo cual es necesario que ambos sonidos lleguen al oído con una diferencia de tiempo de al menos 0,1 segundos.
Es decir, cuando hablamos en una habitación y nuestra voz se refleja en las paredes; pero no podemos distinguir (“o separar”) nuestra voz (emitida) con el sonido reflejado, sólo se trata de reflexión, pero no de eco.
En general, para distinguir claramente entre dos sonidos diferentes, nuestro oído requiere que ambos lleguen al tímpano con una diferencia de tiempo igual o superior a 0,1 segundos. Si llegan con una diferencia de tiempo menor, se superponen en dicha membrana y la señal que llega al cerebro es confusa y éste no distingue entre uno y otro.
Dado que en al aire los sonidos viajan aproximadamente a 340 m/s (en condiciones normales); para producir eco se requiere que la pared reflectante se ubique a una distancia igual o superior a 17 metros de nosotros.

eco

Imagen tomada de sinalefa2.wordpress.com

Entonces, es importante tener en cuenta que aunque es común que llamemos eco a la reflexión que experimenta nuestra voz en el interior de una habitación vacía (sin muebles, cortinas ni alfombras), esto sólo se trata de una reflexión. En el diseño de un auditorio, teatro o sala de conciertos, este fenómeno debe ser muy bien comprendido por los ingenieros acústicos para que la audición resulte grata. Si no es así, se produce otro fenómeno llamado reverberación.

La reverberancia o reverberación, consiste en la persistencia del sonido después de que deja de ser emitido, debido fundamentalmente a reflexiones múltiples. Esto es lo que ocurre en algunos gimnasios o salas con “mala acústica”, que en algunos casos debido a paredes demasiado reflectantes o bien las dimensiones o geometría de la sala, hace que se produzca este fenómeno. Una forma efectiva de disminuir este efecto consiste en cubrir las paredes con cortinas o tapizados de telas.

c) Pulsaciones. Este fenómeno también se denomina batimientos, y consiste en súbitas alteraciones en la amplitud del sonido que resulta de la superposición de dos sonidos de igual timbre y similar amplitud, y cuyas frecuencias son muy cercanas (pero no iguales). En tal caso al superponerse ambos sonidos se percibirán de manera periódica aumentos en la amplitud (o zumbidos), los que se denominan pulsaciones o batimientos.
Tal como muestra la figura (figura de http://www.monografias.com/trabajos5/elso/elso.shtml) , al superponer el sonido dos diapasones con frecuencias muy aproximadas, la superposición genera un patrón como el que muestra la figura adjunta.

pulsación

En él, se observa cómo la amplitud aumenta de manera periódica (zumbidos, batimientos o pulsaciones).
La frecuencia con que se perciben estas pulsaciones es equivalente a la diferencia positiva entre las frecuencias de los dos sonidos que su superponen. Por ejemplo si se superpone el sonido de dos diapasones uno a 440 Hz y el otro a 438 Hz, las pulsaciones se producirán con una frecuencia de 2 Hz. Esta frecuencia, no es la frecuencia del sonido, sino que sólo indica la cantidad de pulsaciones o zumbidos que se percibirán en un segundo.

d) Efecto Doppler. Cuando una fuente emisora de sonido se mueve respecto de nosotros (ambulancia tocando la sirena, automóvil o tren) percibimos una frecuencia más alta (agudo) cuando se aproxima a nosotros y más baja (grave) cuando se aleja. Esto es lo que denominamos efecto Doppler, en honor a su descubridor, Christian Doppler (1803 – 1853 El efecto Doppler no solo ocurre con el sonido, sino también con cualquier tipo de onda, incluso con la luz. De hecho, es gracias a él que los astrónomos pueden medir la velocidad con que se acercan o alejan estrellas y galaxias y es por ello hoy sabemos que el universo se expande. Cuando se produce el efecto Doppler, lo que percibimos es una variación en la frecuencia del sonido, pero esto sólo es una percepción auditiva ya que el sonido producido no cambia de  frecuencia por el hecho que la fuente sonora se ponga en movimiento. Del mismo modo, como el sonido no cambia de medio de propagación, su velocidad permanece constante aunque la fuente sonora se mueva.

tabla

e) Resonancia. Si enfrentas las cavidades de dos guitarras bien afinadas podrás constatar visual y auditivamente que al hacer vibrar una cuerda cualquiera en una de ellas, en la otra empezará a vibrar la misma cuerda.

resonancia guitarra

Este es un ejemplo de lo que denominamos resonancia, y quienes interpretan música en conjuntos instrumentales lo deben haber observado muchas veces. Lo interesante desde el punto de vista de la física, es que cada objeto posee una frecuencia natural de vibración. Ahora, si un objeto vibra y cerca de él hay otro que posee la misma frecuencia natural, también empezará a vibrar. Es muy posible que esta sea la explicación de varios hechos popularmente conocidos: cantantes de ópera capaces de romper copas de cristal, la caída de puentes cuando soldados marchan sobre ellos, edificios que se desmoronan en terremotos y la caída del famoso puente colgante de Tacoma Narrows en Estados Unidos en 1940. En Internet puedes ver películas y explicaciones detalladas de este espectacular hecho. Es importante señalar que es usual que las personas confundan la resonancia con la vibración forzada, no hay que confundir el fenómeno de la resonancia con el de las vibraciones forzadas.
Cuando un cuerpo vibra por resonancia, lo hace con su propia frecuencia natural de vibración. Sin embargo, existen situaciones en que un cuerpo vibra debido a la acción de un sonido muy potente, como ocurre cuando los vidrios de nuestras ventanas vibran al poner la música con mucho “volumen”. En este caso decimos que se trata de una vibración forzada, ya que los vidrios vibran no con su frecuencia natural, sino que son forzados a vibrar con la frecuencia del sonido que al ser tan potente termina “golpeando” la ventana. Lo mismo ocurre cuando una fuente vibra en contacto son un cuerpo; forzándolo a vibrar con una frecuencia que no es la natural del cuerpo. Por ejemplo, cuando un celular vibra sobre la mesa forzando al mueble a hacerlo.