FÍSICA DE ONDAS                                                               Práctica 7                                  ...
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02 el sonido como una onda

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02 el sonido como una onda

  1. 1. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda.UN COMENTARIO INICIAL.Amigo estudiante, no olvide nunca que la física es una aventura del pensamiento y, laexperimentación como tal, es una oportunidad que tenemos para imaginar, diseñar,probar, argumentar, refutar, proponer, cambiar y, sobre todo, poner a prueba nuestrashabilidades y destrezas en la resolución de problemas no previstos en los argumentosteóricos.Ninguna guía de laboratorio puede prever todas “las trampas” que generalmentenos tiende la naturaleza. En física, el experimento es la fuente del conocimiento y en elmundo de la vida hablar es ya un experimento.CONSULTA PREVIA. 1. ¿Cuál es la naturaleza del sonido desde el punto de vista ondulatorio? 2. ¿La velocidad de propagación de las ondas sonoras depende de las propiedades de dicho gas? ¿Tiene algo que ver la temperatura del gas? 3. Si estamos escuchando un sonido y nos vamos alejando de la fuente sonora, ¿Qué propiedades del sonido varían? ¿La frecuencia? ¿La longitud de onda? ¿La velocidad de fase? ¿La amplitud? ¿El tono? ¿El timbre? ¿La intensidad? 4. ¿Qué es la presión acústica? ¿Qué la densidad acústica? 5. Describa con detalle las características fundamentales del sonido considerado como una onda en un gas –aire- y sus posibles aplicaciones. 6. Newton intentó en varias ocasiones medir la velocidad del sonido. ¿Lo logró? ¿Qué experimento diseñó para este propósito? 7. ¿Cómo funciona el oído humano? ¡Ayuda!El análisis de los contenidos de los siguientes enlaces puedensirver de refuerzo en la comprensión de los conceptoy desarrollos matemáticos trabajados en la clase teórica. http://www.youtube.com/watch?v=CVAB6tEB6lo http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/ondas/acustica/sonido/sonido.xhtml http://www.youtube.com/watch?v=7DFJkoIiJ4k&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=1SKONN4iso8&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=PuC1BDFUq2I&feature=relatedINTRODUCCIÓN.En el experimento anterior se estudiaron las ondas estacionarias en una cuerda sometida adiferentes tensiones.En dicho experimento se pudo verificar la dependencia entre la velocidad defase, la densidad lineal de masa y la tensión aplicada a la cuerda en cuestión. Vimos que esadependencia se puede expresar mediante la siguiente ecuación: . …………(1)En la cual, representa la tensión en N –newton- y, la densidad lineal de masa en kg/m.Observe que en la expresión obtenida para la velocidad de propagación de las ondas en unacuerda –ecuación (1)- la tensión aplicada a la cuerda va el en numerador mientras que, la densidad 1
  2. 2. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda.lineal de masa se encuentra en el denominador. De manera análoga se puede demostrar -desarrollando el modelo matemático- que, para las ondas en una barra o, en una columna de gasideal, la velocidad de fase viene dada por: Ondas longitudinales en : módulo de Young del material de un barra la barra. Es una propiedad física del mismo material. Se determina experimentalmente.Ondas longitudinales en : módulo volumétrico del gas. Esuna columna de gas ideal. una propiedad física del gas. :densidad estática o de equilibrio del gas en cuestión.En estas expresiones las cantidades que van en el numerador son los módulos de Young y elvolumétrico, los cuales son propiedades físicas de los medios materiales relacionadas con lasfuerzas recuperadoras y con la rigidez del medio material mediante la ley de Hooke. Lo importanteen este punto es la similitud entre estas expresiones y la obtenida para las ondas en una cuerdatensa. 1De forma general podríamos afirmar que en los medios ideales y continuos se cumple que : ……….(2)Claro está que existen enormes diferencias entre un sólido y un fluido, como un gas o un líquido,una de ellas es la compresibilidad pero, para el caso de fluidos ideales, esto es, no viscosos y encondiciones comunes de presión y temperatura, los resultados que se obtienen con el tratamientoteórico coincide muy bien, en especial para lo gases, con medidas experimentales.El sonido es el ejemplo más importante de ondas mecánicas transversales en un fluido –porejemplo el aire- o, en un cuerpo rígido –como una barra de acero, por ejemplo-. El sonido sonfluctuaciones de la presión y la densidad alrededor de sus valores estáticos de las partículas delmedio. Si el medio material es aire, el cambio en la presión y en la densidad del aire es lo queconstituye el sonido. Así, cuando la presión y la densidad del aire cambian con una frecuencia de440 Hz, al sonido se le llama la –central- es el sonido que percibimos al levantar el teléfono. Si elcambio ocurre a 261.6 Hz, el sonido se llama do central. El oído humano percibe frecuencias entrelos 20 Hz y los 20.000 Hz. No ocurre lo mismo con otras especies como los perros, los elefantes o 2los murciélagos .La siguiente figura nos muestra que, al perturbar un fluido –como el aire-, realmente se presentantres movimientos ondulatorios simultáneos. Uno de desplazamiento, y dos más de presiónydensidad.1 Véase Física de Ondas, pág. 30. Ed. Universidad de Antioquia. ALZATE LÓPEZ HECTOR.2 Obra citada. 2
  3. 3. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda. Ondas dedesplazamiento,presión y densidad.Además, experimentalmente se puede mostrar que la velocidad de propagación de las ondas enun fluido también depende de la temperatura de dicho fluido. En particular, la rapidez del sonido enel aire viene dada por: ……….(3)donde, es la temperatura y, , es una constante cuyo valor 3depende de la naturaleza del gas .PALABRAS CLAVE.  Fluidos, ondas sonoras, presión, densidad, módulos de elasticidad, temperatura, intensidad, tono, timbre, presión acústica, densidad acústica.ELEMENTOS DE COMPETENCIA 1. Modela y construye una experiencia física usando sus conocimientos de dinámica, que le permitan realizar una medida útil en tecnología e ingeniería. 2. Utiliza modelos matemáticos para calcular parámetros fundamentales de los sistemas físicos utilizados en los experimentos.OBJETIVOS 1. Estudiar mediante una simulación las características principales del sonido como un movimiento ondulatorio. 2. Analizar la reflexión del sonido para diferentes posiciones de los obstáculos que encuentre en el camino. 3. Analizar mediante una simulación la variación de la intensidad del sonido con la distancia a la fuente sonora.3 Recuerde un poco sobre la teoría cinética de los gases de su curso de química de décimo grado. 3
  4. 4. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda. 4. Verificar usando la simulación, la relación entre la velocidad de fase, la longitud de onda y la frecuencia. 5. Comprobar que el sonido no se propaga en el vacío. 6. Observar las pulsaciones y la resonancia mediante el uso de diapasones con frecuencias ligeramente diferentes. 7. Estudiar experimentalmente la relación entre la intensidad del sonido y la distancia entre el observador y la fuente.EQUIPOS E INSTRUMENTAL.  Computador y software.  Diapasones  Campana de vacío completa –opcional-  Micrófono con sonda  Multímetro.  Generador de señales con buena amplitud.  Termómetro.  Osciloscopio.  Péndulo simple de masa ligera.  Cinta métrica.PRECAUCIONESLas dispuestas en el uso de los instrumentos del laboratorio y socializadas con suprofesor en la primera reunión.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALACTIVIDAD 1:En esta actividad utilizará un sonido simulado el cual encontrará al entrar al siguienteenlace.http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Sound 4
  5. 5. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda.Propósitos de la simulación.Observar y controlar mediante un ordenador las ondas sonoras simuladas y, descubrircon ella algunas de las características fundamentales del sonido como una onda.Esta simulación permite: 1. Explorar la dependencia de la intensidad del sonido con la distancia a la fuente. 2. Explorar el tono y el timbre en su relación con la frecuencia de la onda sonora. 3. Medir la longitud de onda, frecuencia y velocidad de fase de una onda sonora. 4. Verificar la relación existente entre la longitud de onda, la frecuencia y la velocidad de fase. 5. Relacionar analógicamente los movimientos oscilatorios ya estudiados y la forma como se propaga una perturbación sonora. 6. Explicar la diferencia entre la velocidad de fase y la velocidad con la cual oscilan las partículas del medio material. Al abrir la simulación verá un alta voz generando ondas sonoras en el “espacio”, es decir, en “tres dimensiones”, y un observador que puede alejarse o acercarse a la fuente sonora a gusto del usuario y, la siguiente figura nos muestra diferentes opciones para jugar con la simulación.Ubicados en la primera pestaña –vea imagen siguiente-, utilice los controles disponibles para cambiar la frecuencia y la amplitud de la onda. Responda las siguientes preguntas. 5
  6. 6. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda.  El color gris de fondo representa las variaciones de la presión del aire al generarse la onda sonora, ¿puede utilizar los controles disponibles para analizar dichas variaciones de presión? ¿Si? ¿No? Explique claramente.  ¿De que manera genera el alta voz -foco- las variaciones de presión observadas en el fondo gris? Explique con detalle.  En esta simulación, ¿el tono más oscuro representa un aumento o una disminución en la presión?  ¿Si queremos aumentar el volumen de un determinado tono, el altavoz debe oscilar más veces por segundo?  ¿Si el alta voz genera grandes fluctuaciones en la presión que características cambian en el sonido percibido por el observador?  ¿Para producir un tono más bajo, el alta voz debe oscilar un menor número de veces por segundo?  La siguiente gráfica nos representa la presión medida por el oyente en función del tiempo para un tono de 200 Hz –recuerde que el tono es fuertemente dependiente de la frecuencia-.En las gráficas de presión vs tiempo mostradas a continuación, cuál(es) de las líneas rojas atrazos representa el tono original de 200 Hz? 6
  7. 7. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda.  ¿Cuál de las curvas en azul sólido representa la variación de la presión en función del tiempo cuando: (a) el altavoz genera un tono bajo, (b) el altavoz genera un tono alto, (c) el sonido del altavoz no se modifica pero, el observador se aleja de la fuente, (d) el altavoz está oscilando 400 veces por segundo.  ¿Puede usar esta simulación para determinar la velocidad del sonido?  Ubíquese en la segunda pestañay mida el tiempo necesario para que las ondas sonoras se desplacen los 5 metros. Calcule la velocidad del sonido en m/s.  Aumente o disminuya la frecuencia y la amplitud de las ondas y observe si hay un cambio en la velocidad de las ondas. Registre sus resultados en una tabla.  Use la tercera y cuarta pestañas para verificar que, como toda onda, el sonido se refleja al encontrar barreras en su camino. También se puede ver y analizar el fenómeno de la interferencia.  Use la quinta pestaña y observe lo que ocurre a medida que hacemos vacío por extracción del aire en la campana.ACTIVIDAD 2:Observe con detalle los experimentos mostrados en los siguientes enlaces. 1. http://www.youtube.com/watch?v=4X0cOF2qAKI 2. http://www.youtube.com/watch?v=RdW80Ui9F4g&feature=related 3. http://www.youtube.com/watch?v=i7gcaDXdr94&feature=relatedUse los diapasones, el osciloscopio, el micrófono con sondapara observar: 7
  8. 8. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda. 1. la superposición de las ondas sonoras de frecuencia ligeramente diferente. 1. las pulsaciones o superposición de ondas sonoras de igual frecuencia. 2. Use los diapasones para observar la resonancia. 3. Haga el montaje mostrado en la siguiente fotografía para estudiar experimentalmente la dependencia de la intensidad de un sonido y la distancia entre la fuente y el observador. Consigne sus datos en una tabla. 4. Con los datos de la tabla trace las gráficas –en Excel- de la intensidad contra la distancia, y de la intensidad contra el inverso de la distancia. 5. Analice con detalle las gráficas, calcule, interprete resultados y saque sus propias conclusiones. 6. Utilice la campana de vacío para poner en evidencia que el sonido es una onda mecánica. Esta actividad es opcional. Montaje para estudiar la relación entre intensidad del sonido y la distancia a la fuente sonora.CONTENIDO DEL INFORME.  Incluya su informe una breve historia del sonido.  Incluya en su informe todos los puntos trabajados con la simulación. Actividad 1  Describa de manera conceptual pero con detalle la forma como se generan las ondas sonoras.  Realice todos los cálculos pedidos en la actividad 2, incluya las causas y los porcentajes de error.  Incluya las gráficasy su análisis detallado.  ¿Qué pasaría con sus mediciones si variamos de manera significativa la temperatura del laboratorio? 8
  9. 9. FÍSICA DE ONDAS Práctica 7 El sonido como una onda. ¿Los experimentos lo convencieron de que el sonido es una onda? ¿Si? ¿No? Explique claramente. Se deja caer una piedra en el fondo de un pozo profundo y, el sonido producido por dicha piedra el golpear el fondo se escucha 4 segundos más tarde. ¿Cuál es la profundidad del pozo? Suponga que, en diciembre usted está sentado en la puerta de su casa y desde un barrio distante tiran un volador. Percibe la su brillo, y 6 segundos después escucha la explosión. ¿A qué distancia de su casa se tiró el volador? Orlando cárdenas estrada Docente de cátedra 9

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