Indice

Introduccion

Ondas de sonido

Rapidez de las ondas de sonido

Ondas de sonido periodicos

Intensidad de ondas de sonido periodicos

Efecto doppler

Grabacion digital de sonido

Sonido en peliculas

Superposicion y ondas estacionarias

Superposicion e interferencia

Ondas estacionarias

Ondas estacionarias en una cuerda fija de ambos extremos

Resonancia

Ondas estacionarias en columna de aire

Conclusion

Laboratorio

El calor y la primera ley de la termodinamica

Ondas de sonido Rapidez de las ondas de sonido

La rapidez de las ondas en un medio depende de la compresibilidad y de la desnidad del medio; si éste es un líquido o un gas y tiene un módulo volumétrico B y densidad "p", la rapidez de ls ondas sonoras en dicho medio es de: velocidad es igual a la raíz cuadrada de el módulo volumétrico "B" entre la densidad. 

Para ondas longitudinales en una barra sólida de material la rapidez depende del módulo de Young "Y" y de la densidad "p". 

La rapidez del sonido depende del tipo de material en el que se encuentra. En la siguiente tabla se muestra la rapidez del sonido en distintos tipos de materiales. 

Medio Velocidad (m/s)Hidrógeno 1286Helio 972Aire (20 °C) 343Aire (0°C) 331Oxígeno 31

Gases

Líquidos a 25 °C

Medio Velocidad (m/s)Glicerol 1904Agua de mar 1533Agua 1493Mercurio 1450Queroseno 1324Alcohol metílico 1143Tetracloruro de mercurio 926

Sólidos

Medio Velocidad (m/s)Vidrio Pyrex 5640Hierro 5950Aluminio 6420Latón 4700Cobre 5010Oro 3240Lucita 2680Plomo 1960caucho 1600

Ondas sonoras periodicas

Si consideramos las expansiones y compresiones en un tubo acústico veremos que los desplazamientos del aire, respecto a su posición de equilibrio en cada punto, son en la dirección de propagación de la onda y están dados por:

Donde el desplazamiento de  Smax representa el desplazamiento máximo a partir del equilibrio (la amplitud del desplazamiento), k es el numero de frecuencia angular y w es la frecuencia angular del émbolo; el desplazamiento del medio es a lo largo del eje x (la dirección  de desplazamiento e la onda sonora) lo que significa que se está describiendo una onda longitudinal.

La variación de la presión del gas es ^P medida desde su valor de equilibrio también es periódica y está dada por:

Así pues se tiene que

Donde WSmax es la velocidad máxima del medio frente al émbolo.

Así pues una onda sonora puede considerarse como una onda de desplazamiento o una onda de presión.

A partir de la definición de modulo volumétrico vemos que la variación de presión en un gas es:

Si el desplazamiento es la función senoidal simple encontramos que:

Puesto que el modulo volumétrico está dado por

y tomando 

la variación de la presión se reduce:

y tomando se obtiene

Intensidad de onda sonora

Definimos la intensidad I de una onda, o la potencia por unidad de área, como la tasa a la cual la energía que se transporta por la onda fluye por un área unitaria A perpendicular a la dirección de la propagación de la onda.

Por lo tanto la intensidad es

Así vemos que la intensidad de una onda sonora periódica es proporcional al cuadrado de la amplitud y al cuadrado de la frecuencia.

Esta intensidad también se pude escribir en fusión de la presión mediante la siguiente expresión.

La potencia  es

El nivel sonoro 

Efecto Doppler

se llama efecto Doppler a las variaciones aparentes en la frecuencia de una onda cualquiera (sonora, luminosa, en el agua, etcétera), causadas por el movimiento ya sea de la fuente emisora, ya sea del receptor de la onda sonora o de ambos.

La moto (es la fuente sonora) emite un sonido, supongamos de 200 Hz de frecuencia, que viaja

por el espacio hacia todas direcciones a una velocidad de 343 metros por segundo. A su vez, la

moto lleva una velocidad propia, que supondremos de 80 km por hora (unos 22 m/s).

¿Qué sucede con los receptores respecto a la frecuencia con que perciben el sonido de la moto?

Veamos:

Todo depende de las velocidades de los involucrados.

La chica de la izquierda está en reposo, respecto a ella, el sonido debería llegar a la velocidad de

343 m/s, pero resulta que el emisor del sonido (la moto) se aleja de ella a 22 m/s; por lo tanto, a

ella le llega el sonido solo a 321 m/s (343 menos 22), por lo tanto percibirá un sonido de menor

frecuencia (ondas más largas, tono menos agudo).

El muchacho de la derecha camina, supongamos a 3 m/s, hacia la moto. Respecto a este

muchacho, el sonido viaja hacia él a 343 m/s, más los 22 m/s de la moto y más los 3 m/s de su

caminar hacia la moto; por lo tanto, percibirá un sonido de mayor frecuencia, ondas más cortas,

tono más agudo).

Entendida esta relación entre las velocidades, ahora mostraremos cómo es posible obtener

ecuaciones que nos permiten calcular las variaciones de frecuencia percibidas por un receptor.

Para no complicar vuestra existencia estudiantil estableceremos que la siguiente fórmula general

permite hallar la frecuencia que percibirá el receptor u observador:

Donde :

fo = frecuencia que percibe el observador (también se usa como fr o frecuencia de la señal

recibida)

ff = frecuencia real que emite la fuente (también se usa como fe o frecuencia de la señal emitida)

vs = velocidad del sonido (343 m/s)

vo = velocidad del observador (también se usa como vr o velocidad del receptor)

vf = velocidad de la fuente (también se usa como ve o velocidad del emisor)

Debemos fijar la atención en los signos + (más) y – (menos) de la ecuación.  Notemos que en el

numerador aparece como ± (más menos) y en el denominador aparece invertido (menos más).

Esta ubicación de signos es muy importante ya que usar uno u otro depende de si el observador se

acerca o se aleja de la fuente emisora de sonido.

Importante:

 Si el observador se acerca a la fuente emisora, el signo en el numerador será + (más) y

simultáneamente el signo en el denominador será – (menos).

Ahora, si el observador se aleja de la fuente emisora, el signo en el numerador será – (menos) y

simultáneamente el signo del denominador será + (más).

La radio emite un sonido con frecuencia de 440 Hz

El mono (perdón, el receptor u observador) camina hacia la fuente (la radio, fija) con velocidad  de

20 m/s

Pregunta: ¿con qué frecuencia recibe el sonido el receptor?

Analicemos los datos que tenemos:

 fo =  x (desconocida): frecuencia que percibe el observador

ff =  440 Hz:  frecuencia real que emite la fuente

vs = 343 m/s: velocidad del sonido

vo = 20 m/s: velocidad del observador (con signo + ya que se acerca a la fuente)

vf = 0:  velocidad de la fuente (fuente en reposo)

Usemos nuestra fórmula y coloquemos los valores:

Nótese que la velocidad de la fuente (la radio) es 0 (cero) pues se haya en un lugar fijo, no tiene

movimiento.

Respuesta:

El receptor (el mono) percibe el sonido con una frecuencia de 466 Hz.

La clave para resolver este y otros ejercicios está en saber colocar el signo de suma o de resta a la

velocidad del receptor y la del emisor.

Grabacion digital de Sonido

La tecnología de grabación analógica registra las vibraciones del sonido en forma de una onda sinusoidal variable que permite reproducir después manteniendo la misma forma de la onda original. La tecnología digital, por su parte, emplea la tecnología analógica al principio del proceso para captar los sonidos que van se van a grabar de forma digital y posteriormente para reproducirlos y hacerlos audibles de nuevo, tal como se explica a continuación:

Primero: para realizar una grabación digital, la onda sinusoidal del sonido (en su forma analógica original) se capta primero empleando uno o varios micrófonos, o utilizando también otra fuente auxiliar de reproducción analógica (como un tocadiscos reproduciendo el sonido de un disco de vinilo), tal como se hacían las mezclas de sonido hace años atrás, cuando las grabaciones se realizaban empleando solamente la tecnología analógica.

Segundo: los valores de las diferentes tensiones o voltajes que posee la onda sinusoidal analógica de los sonidos que capta el micrófono o se reproducen por cualquier otro dispositivo analógico, para proceder a su digitalización es necesario transformarlos en valores numéricos binarios compuesto por “1” (unos) y “0” (ceros), que permitan crear archivos de sonido digital con sus correspondientes capacidades en bytes, kilobytes (kB), Megabytes (MB) o Gigabytes (GB).

Tercero: los valores numéricos binarios que se obtienen como resultado de la conversión analógico a digital no son audibles ni visibles si tratamos de reproducirlos directamente en su forma numérica representada por unos y ceros (correspondientes a los bytes de sonido). Por tanto, se hace necesario efectuar un proceso inverso, o sea, realizar una conversión de digital a analógica en la que se obtenga nuevamente una onda de sonido similar a la sinusoide analógica original que captó el micrófono. Una vez realizada esta conversión, la señal analógica que se obtiene como resultado se puede amplificar y hacer audible de nuevo.

A manera de aclaración, ni el micrófono, ni ningún otro equipo de reproducción de sonido analógico, es capaz por sí mismo de convertir en código binario los sonidos que capta o reproduce sin el empleo del correspondiente dispositivo o microchip electrónico denominado ADC (Analog-to-Digital Converter – Convertidor Analógico-

Digital). Este dispositivo realiza primero un “muestreo” (sampling) en cada punto y a todo lo largo de la señal analógica, tomando varios miles de muestras por segundo. A continuación esas muestras se cuantifican (quantization) y por último se codifican en código numérico binario que se almacenan en archivos con sus correspondientes capacidades en bytes, kilobytes (kB), megabytes (MB) o gigabytes (GB) de sonido.

Para que la grabación digital se realice con la mayor calidad posible, o lo que es lo mismo, con la denominada “calidad de CD”, el convertidor debe realizar una tasa de muestreo ascendente a 44,100 muestras (o sea, tomar cuarenta y cuatro mil cien muestras por segundo). Eso significa que durante la conversión de la señal analógica en digital, se crean 44,100 combinaciones de “1” (unos) y “0” (ceros) por segundo. De esa forma, mientras mayor sea la tasa que se emplee mayor será también la cantidad de datos que contendrá la señal digital y, por tanto, mayor la calidad y fidelidad del sonido digital que se graba en el soporte de almacenamiento masivo escogido, ya sea un disco duro, una cinta magnetofónica, un CD, un DVD, un mp3, etc. No obstante la calidad y fidelidad resultante que se obtiene de una grabación digital es inherente en sí misma a la propia calidad de los equipos con los cuales se realiza la grabación, así como la calidad del equipo que la reproduce después. Una grabación realizada en un equipo de bajo coste, se reproducirá después con poca calidad aunque se emplee un equipo de reproducción de sonido costoso y de alta fidelidad. De la misma forma una grabación de buena calidad realizada en un estudio profesional de sonido, si se reproduce en un equipo barato y, por tanto, de poca calidad, no se escuchará tampoco igual que cuando la reproducimos en un equipo más costoso y de alta fidelidad.

Como ya se explicó, una grabación digital no es audible como tal si no se reconstruyen de nuevo las variaciones de tensión o voltaje que tenía la señal analógica variable que le dio origen. Para desempeñar esa función se emplea un DAC (Digital-to-Analog Converter – Convertidor Digital-Analógico), que a una velocidad vertiginosa de trabajo convierte de nuevo los valores numéricos binarios en los valores correspondientes a las variaciones de tensión o voltaje que tenía la onda analógica original antes de ser digitalizada. De esa forma la señal se reconstruye para que pueda ser audible de nuevo con el empleo de un amplificador de sonido.

 

Sonido en las peliculas

Desde un principio los cineastas se propusieron que el cine, tan precario en sus comienzos, se pareciera en lo posible al mundo real. Entre los primeros y principales objetivos de los pioneros, estuvo siempre el de conseguir el sonido y el color. En 1896, a menos de un año de la presentación del aparato mudo, Edison patentó ya su Kinetófono, que combinaba la mecánica fílmica con la fonográfica. Desde los primeros momentos, como se relata en otros lugares deesta página Web, la música era interpretada en directo ante la pantalla. Personas especializadas, entre ellas «el explicador», contaban lo que sucedía y mediante artilugios hacían los ruidos, viento, tempestades, trinos de pájaros y otros, que eran utilizados para una mejor comprensión del lenguaje de las imágenes mudas. El sonido aumenta la impresión de realidad. Dota al filme de continuidad sonora. Es un mecanismo para conseguir unidad. 

Clasificación de los sonidos

1. El ruido

Ruidos naturales.

Ruidos humanos.

Ruidos mecánicos.

Palabras-ruido.

2. La música.

3. La palabra y los diálogos.

El sonido siempre existió en el cine. Lo que sucede es que en la primera etapa del cine los espectadores no podían oírlo físicamente.

Tenían que leerlo, decodificarlo, interpretarlo a partir de los mecanismos que los cineastas utilizaban...

• Intertítulos.

• Primeros planos de objetos que sugieren un determinado sonido.

• Gesticulación de los actores.

• Lectura de labios...

Funciones de la música en el cine

1. Función rítmica

La música se emplea como contrapunto de la imagen.

La duración de la imagen y de la frase musical son exactas.

a) Reemplazar un ruido real.

b) Resaltar un movimiento de un elemento de la acción.

2. Función dramática

La música se emplea como un elemento que puede ser útil para que el espectador comprenda el significado de la acción.

Superposicion de ondas

La forma de onda resultante de la superposición de ondas se obtiene sumando algebraicamente cada una de las ondas senoidales que componen ese movimiento complejo.

Si superponemos ondas senoidales de igual frecuencia, aunque con eventuales distintas amplitudes y/o fases, obtendremos otra onda senoidal con la misma frecuencia, pero con distinta amplitud y fase. Eventualmente esas ondas pueden cancelarse, por ejemplo si tuvieran igual amplitud pero una diferencia de fase de 180º.

En algunos campos de la acústica puede resultar también interesante el caso de la superposición de ondas senoidales que se desarrollan sobre ejes perpendiculares. No estudiaremos aquí esos casos.

De particular interés resulta el caso de superposición de ondas senoidales de distinta frecuencia y eventual distinta amplitud y fase (por constituir el caso descrito por Fourier para la descomposición de los movimientos complejos).

Si bien la descomposición de todo movimiento complejo en una superposición de distintas proporciones de movimientos armónicos simples es estrictamente cierta para el caso de movimientos complejos periódicos, determinadas aproximaciones matemáticas nos permiten descomponer también todo movimiento no periódico en un conjunto de movimientos simples.

Ondas estacionarias

Una onda estacionaria es el resultado de la superposición de dos movimientos ondulatorios armónicos de igual amplitud y frecuencia que se propagan en sentidos opuestos a través de un medio. Pero la onda estacionaria NO ES una onda viajera, puesto que su ecuación no contiene ningún término de la forma kx-ωt. Por sencillez, tomaremos como ejemplo para ilustrar la formación de ondas estacionarias el caso de una onda transversal que se propaga en una cuerda sujeta por sus extremos en el sentido de izquierda a derecha (→); esta onda incide sobre el extremo derecho y se produce una onda reflejada que se propaga en el sentido de derecha a izquierda (←). La onda reflejada tiene una diferencia de fase de π radianes respecto a la incidente. La superposición de las dos ondas, incidente y reflejada, da lugar, en ciertas condiciones, a ondas estacionarias.

Ecuación de la onda incidente, sentido (→): cos( ) 1y = A kx−ωt [1a]

Ecuación de la onda reflejada1, sentido (←): cos( ) y2 = A kx+ωt +π [1b]

En las ecuaciones [1a] y [1b], k representa el número de ondas k = 2π λ y ω es la

frecuencia angular ω = 2π T , siendo λ y T la longitud de onda y el periodo, respectivamente.

El resultado de la propagación simultánea de ambas ondas, incidente y reflejada, es el siguiente:

y y y Acos(kx ωt) Acos(kx ωt π) 2Asenkxsenωt

Superposicion e interferencia

Es el efecto que se produce cuando dos o más ondas se solapan o entrecruzan. Cuando las ondas interfieren entre sí, la amplitud (intensidad o tamaño) de la onda resultante depende de las frecuencias, fases relativas (posiciones relativas de crestas y valles) y amplitudes de las ondas iniciales .

Por ejemplo, la interferencia constructiva se produce en los puntos en que dos ondas de la misma frecuencia que se solapan o entrecruzan están en fase; es decir, cuando las crestas y los valles de ambas ondas coinciden. En ese caso, las dos ondas se refuerzan mutuamente y forman una onda cuya amplitud es igual a la suma de las amplitudes individuales de las ondas originales. La interferencia destructiva se produce cuando dos ondas de la misma frecuencia están completamente desfasadas una respecto a la otra; es decir, cuando la cresta de una onda coincide con el valle de otra.

En este caso, las dos ondas se cancelan mutuamente. Cuando las ondas que se cruzan o solapan tienen frecuencias diferentes o no están exactamente en fase ni desfasadas, el esquema de interferencia puede ser más complejo.

La luz visible está formada por ondas electromagnéticas que pueden interferir entre sí. La interferencia de ondas de luz causa, por ejemplo, las irisaciones que se ven a veces en las burbujas de jabón. La luz blanca está compuesta por ondas de luz de distintas longitudes de onda. Las ondas de luz reflejadas en la superficie interior de la burbuja interfieren con las ondas de esa misma longitud reflejadas en la superficie exterior.

En algunas de las longitudes de onda, la interferencia es constructiva, y en otras destructiva. Como las distintas longitudes de onda de la luz corresponden a diferentes colores, la luz reflejada por la burbuja de jabón aparece coloreada. El fenómeno de la interferencia entre ondas de luz visible se utiliza en holografía e interferometría.

La interferencia puede producirse con toda clase de ondas, no sólo ondas de luz. Las ondas de radio interfieren entre sí cuando rebotan en los edificios de las ciudades, con lo que la señal se distorsiona. Cuando se construye una sala de conciertos hay que tener en cuenta la interferencia entre ondas de sonido, para que una interferencia destructiva no haga que en algunas zonas de la sala no puedan oírse los sonidos emitidos desde el escenario. Arrojando objetos al agua estancada se puede observar la interferencia de ondas de agua, que es constructiva en algunos puntos y destructiva en otros.

Ondas estacionarias en una cuerda fija de ambos extremos

Procedimiento:

A1. EXPERIMENTO CON CUERDA EXTENSIBLE

1. Mida la masa de la un segmento de cuerda de aproximadamente dos metros de longitud

masa =___________kg

2. Mida la longitud de la cuerda no estirada

Longitud no estirada = ____________m.

3. Determine la densidad de la cuerda no estirada (μ0 )

μ0=

masalongitud

=______________kg/m.

4. Monte el equipo según se muestra en la figura con una masa colgante de 500 g

5. Determine la longitud no estirada del segmento de la cuerda donde observaremos las ondas estacionarias

Longitud no estirada = __________m

6. Determine la masa del segmento de cuerda donde se observarán las ondas estacionarias

Masa (cuerda estirada) = μ0¿ longitud (cuerda no estirada) =

7. Utilice su montaje experimental y determine la densidad de la cuerda estirada (μ)

μ=

masa (cuerda estirada )longitud (cuerda estirada )

=________________ kg/m

Resonancia

un conjunto de fenómenos relacionados con los movimientos periódicos o casi periódicos en que se produce reforzamiento de una oscilación al someter el sistema a oscilaciones de una frecuencia determinada.

La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es

sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración se acerca

al periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En el cual una fuerza relativamente

pequeña aplicada en forma repetida, hace que una amplitud de un sistema oscilante se

haga muy grande.

En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del

movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. En teoría, si se

consiguiera que una pequeña fuerza sobre un sistema oscilara a la misma frecuencia que

la frecuencia natural del sistema se produciría una oscilación resultante con una amplitud

indeterminada.

Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como el vaso que se

rompe cuando una soprano canta y alcanza y sostiene la frecuencia de resonancia del

mismo. Por la misma razón, no se permite el paso por puentes de tropas marcando el

paso, ya que pueden entrar en resonancia y derrumbarse.

Una forma de poner de manifiesto este fenómeno consiste en tomar

dos diapasones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia y colocados

próximos el uno del otro, cuando hacemos vibrar uno, el otro emite, de manera

espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero

presionan a través del aire al segundo.

Ondas estacionarias en columna de aire

Las ondas estacionarias asociadas con la resonancia en una columna de aire, han sido estudiadas principalmente, en términos del desplazamiento del aire en la

columna. También pueden ser visualizadas en términos de las variaciones de presión en la columna. Un nodo de desplazamiento es siempre un antinodo de presión y viceversa, como se ilustra abajo. Cuando se ve el aire en los alrededores de un nodo, el movimiento del aire será alternativamente apretándose hacia ese punto y expandiéndose lejos de él, haciendo que la variación de la presión sea máxima. Este punto de vista de los modos resonantes en términos de ondas de presión, hace que sea más fácil de ver por qué el extremo de la boquilla de un instrumento de viento es un nodo para las resonancias. Por ejemplo, el clarinete es acústicamente una columna de aire cilíndrica de extremo cerrado, porque el extremo de la boquilla actúa como un antinodo de presión.

Una manera de demostrar las ondas estacionarias en una columna de aire es, golpeándo una varilla de metal para establecer una onda estacionaria longitudinal en la misma. Si se coloca un disco en el extremo de la varilla, se pueden producir ondas estacionarias en la columna de aire. El movimiento del aire en los antinodos es suficiente para mover el polvo de corcho y producir un patrón con él. La ilustración de la es parte de un tubo de Kundt diseñado para producir ondas estacionarias.

Introduccion

El presente trabajodaremos a conocer las ondas de sonido y su propagacion por los medios , se hace con el fin de comprender la ondas de sonido su rapidez, intensidad y como se propagan en el medio ,su resonancia , superposicion y los efectos que este tiene .

Conclusion

Después de analizar y estudiar nuestro trabajo hemos entendido que el sonido no solo se puede propagar por el aire si no que también en materiales sólidos encontrándose en una determinada distancia el cual nos permite escuchar lo que se emitió y lograr entenderlo.

También descubrimos que la velocidad de propagación del sonido es mucho mejor en un medio sólido como el tubo plástico queen un medio liquido o gaseoso.

Trabajo de Fisica Calor y Ondas

Presentado por:

Estewil Torres

Carlos Martinez

Keyla Lora

Prenstado Al Profesor:

Virgilio Barco

Cartagena de indias 18/10/2013

Fundacion Tecnologica Antonio de Arevalo

TECNAR