Resumen Del Capítulo 16

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Resumen del Capítulo 16 Sonido El término sonido se refiere a la sensación física que estimula nuestros oídos, es decir, ondas longitudinales. Podemos distinguir tres aspectos de cualquier sonido: 1. Debe haber una fuente del sonido; como con cualquier onda mecánica, la fuente de una onda sonora es un objeto en vibración. 2. La energía se transfiere desde la fuente en forma de ondas sonoras longitudinales. 3. El sonido es detectado por el oído o por un micrófono. Características del sonido Solemos pensar que las ondas sonoras viajan en el aire, pues normalmente son las vibraciones en el aire lo que fuerza los tímpanos a vibrar. Sin embargo, las ondas sonoras también viajan en otros materiales. El sonido no puede viajar en ausencia de materia. El sonido tampoco puede oírse en el vacío del espacio exterior. La rapidez del sonido es diferente en materiales distintos. En el aire a 0° C y 1 atm, el sonido viaja con una rapidez de 331 m/s. La rapidez depende del módulo elástico B y la densidad ρ del material¿). Entonces para el helio cuya densidad es mucho menor que la del aire, pero cuyo modulo elástico no es muy diferente, la rapidez es aproximadamente 3 veces mayor que en el aire. En líquidos y sólidos, que son mucho menos comprensibles y, por lo tanto, tienen un módulo elástico mayor, la rapidez es aún más grande. Dos aspectos de cualquier sonido son inmediatamente evidentes ante quien se escucha: la “intensidad” y el “tono” La intensidad está relacionada con la energía por unidad de tiempo que cruza una unidad de área de la onda sonora. El tono de un sonido se refiere a si es alto, como el sonido de un piccolo o un violín; o bajo como el sonido de un tambor o un contrabajo. La cantidad física que determina el tono es la frecuencia, como lo noto Galileo por primera vez. Cuanta más baja sea la frecuencia, menor será el tono; y cuanto mayor sea la frecuencia, más alto será el tono. El oído humano puede responder a frecuencias desde aproximadamente 20 Hz hasta cerca de 20,000 Hz. Esto se llama rango audible. Estos límites varían algo de un individuo a otro. Una tendencia general es que conforme la gente envejece se vuelve menos capaz de escuchar frecuencias altas, por lo que el límite de frecuencia superior puede ser de 10,000Hz o menor. Las ondas sonoras cuyas frecuencias están fuera del rango audible pueden llegar al oído, pero por lo general no se está consciente de ellas. Las

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Adjunto se muestra información resumida del capitulo No. 16 del libro. En cual se muestran conceptos básicos explicados.

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Resumen del Captulo 16Sonido

El trmino sonido se refiere a la sensacin fsica que estimula nuestros odos, es decir, ondas longitudinales.Podemos distinguir tres aspectos de cualquier sonido:1. Debe haber una fuente del sonido; como con cualquier onda mecnica, la fuente de una onda sonora es un objeto en vibracin.2. La energa se transfiere desde la fuente en forma de ondas sonoras longitudinales.3. El sonido es detectado por el odo o por un micrfono.

Caractersticas del sonidoSolemos pensar que las ondas sonoras viajan en el aire, pues normalmente son las vibraciones en el aire lo que fuerza los tmpanos a vibrar. Sin embargo, las ondas sonoras tambin viajan en otros materiales. El sonido no puede viajar en ausencia de materia. El sonido tampoco puede orse en el vaco del espacio exterior.

La rapidez del sonido es diferente en materiales distintos. En el aire a 0 C y 1 atm, el sonido viaja con una rapidez de 331 m/s. La rapidez depende del mdulo elstico B y la densidad del material). Entonces para el helio cuya densidad es mucho menor que la del aire, pero cuyo modulo elstico no es muy diferente, la rapidez es aproximadamente 3 veces mayor que en el aire. En lquidos y slidos, que son mucho menos comprensibles y, por lo tanto, tienen un mdulo elstico mayor, la rapidez es an ms grande.

Dos aspectos de cualquier sonido son inmediatamente evidentes ante quien se escucha: la intensidad y el tonoLa intensidad est relacionada con la energa por unidad de tiempo que cruza una unidad de rea de la onda sonora.El tono de un sonido se refiere a si es alto, como el sonido de un piccolo o un violn; o bajo como el sonido de un tambor o un contrabajo. La cantidad fsica que determina el tono es la frecuencia, como lo noto Galileo por primera vez. Cuanta ms baja sea la frecuencia, menor ser el tono; y cuanto mayor sea la frecuencia, ms alto ser el tono. El odo humano puede responder a frecuencias desde aproximadamente 20 Hz hasta cerca de 20,000 Hz. Esto se llama rango audible. Estos lmites varan algo de un individuo a otro. Una tendencia general es que conforme la gente envejece se vuelve menos capaz de escuchar frecuencias altas, por lo que el lmite de frecuencia superior puede ser de 10,000Hz o menor.

Las ondas sonoras cuyas frecuencias estn fuera del rango audible pueden llegar al odo, pero por lo general no se est consciente de ellas. Las frecuencias arriba de 20,000Hz se llaman ultrasnicas. Muchos animales pueden or frecuencias ultrasnicas, como los perros y murcilagos. Aquellas ondas cuyas frecuencias estn debajo del rango audible se llaman infrasnicas. Las fuentes de ondas infrasnicas incluyen sismos, truenos, volcanes y ondas producidas por maquinaria pesada en vibracin. Esta ltima fuente se vuelve potencialmente nociva para los trabajadores, pues las ondas infrasnicas, si bien son inaudibles, llegan a causar daos al organismo humano, ya que actan de manera resonante causando considerable movimiento e irritacin de los rganos internos del cuerpo.

Representacin matemtica de ondas longitudinales.Una onda senoidal unidimensional que viaja a lo largo del x se puede representar por la relacin

Donde D es el desplazamiento de la onda en la posicin x y el tiempo t y A es una amplitud (valor mximo). El nmero de onda k est relacionado con la longitud de onda por k=2/ y donde f es la frecuencia. Para una onda longitudinal, el desplazamiento D es a los largo de la direccin de la propagacin de la onda. Es decir es paralelo a x, y representa el desplazamiento de un pequeo elemento de volumen del medio con respecto de su posicin de equilibrio.Las ondas (sonoras) longitudinales tambin se pueden considerar desde el punto de variaciones en la presin, en vez de desplazamiento. De hecho, a menudo las ondas longitudinales se denominan ondas de presin. La variacin de presin es usualmente ms fcil.

La respuesta del odoEl odo no es igualmente sensible a todas las frecuencias. Para or el mismo volumen para sonidos de diferentes frecuencias se requieren diferentes intensidades. El nmero que designa cada curva representa el nivel de intensidad (las unidades se llaman fonios), que es numricamente igual al nivel de sonido en dB a 1000Hz.

Intensidad del sonido: Decibeles.

La intensidad es una sensacin en la conciencia de un ser humano y est relacionada con una cantidad fsicamente medible: la intensidad de onda, la cual es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda. Y sus unidades son watts/metro2 (W/m2).El odo humano puede detectar sonidos con una intensidad tan baja como 10-12 W/m2 y tan alta como 1W/m2.Nivel de sonidoDebido a esta relacin entre la sensacin subjetiva y la cantidad fsicamente medible de la intensidad, es frecuente especificar los niveles de intensidad del sonido mediante una escala logartmica. La unidad de esta escala es el bel, en honor a su inventor Alexander Graham Bell, o ms comnmente, el decibel (dB). El nivel del sonido, , de cualquier sonido se define en trminos de su intensidad I, como

Donde Io es la intensidad de algn nivel de referencia y el logaritmo es de base 10. Por lo general, Io se toma como la intensidad mnima audible para una persona promedio o umbral de audicin.

Fuentes del sonido: Cuerdas vibrantes y columnas de aire.La fuente de cualquier sonido es un objeto en vibracin. Casi cualquier objeto puede vibrar y por lo tanto ser una fuente de sonido. Instrumentos de cuerdas:Las ondas estacionarias son la base para todos los instrumentos de cuerdas. El tono se determina por la menor frecuencia resonante, o fundamental, que corresponde a nodos que se presentan solo en los extremos. La cuerda que vibra arriba y abajo como un todo corresponde a media longitud de onda. As que la longitud de onda del modo fundamental de la cuerda es igual al doble de la longitud de la cuerda. Los instrumentos de cuerdas no seran muy sonoros si se confiara en sus cuerdas vibratorias para producir las ondas acsticas, ya que las cuerdas son simplemente demasiado delgadas para comprimir y expandir mucho aire. Por ellos los instrumentos de cuerdas usan un tipo de amplificador mecnico conocido como tablero sonoro o caja resonante, cuya funcin es amplificar el sonido poniendo en una mayor rea superficial en contacto con el aire. Instrumentos de viento:Este tipo de instrumentos producen sonidos por las vibraciones estacionarias en una columna de aire dentro de un tubo. Las ondas estacionarias pueden ocurrir en el aire de cualquier cavidad, pero las frecuencias presentes son complicadas excepto en formas muy simples como las generadas en un tubo uniforme largo y estrecho de una flauta o de un rgano tubular. Podemos describir las ondas en trminos del flujo de aire, es decir en trminos de desplazamiento del aire o en trminos de la presin en el aire. El aire en el extremo cerrado de un tubo es un nodo de desplazamiento ya que el aire no tiene libertad para moverse ah, en tanto que cerca del extremo abierto de un tubo habr un antinodo porque el aire puede moverse libremente para entrar y salir.

Calidad de sonido y ruido: Superposicin.Siempre que omos un sonido, particularmente un sonido musical, somos conscientes de su intensidad, de su tono y tambin de un tercer aspecto llamado timbre o calidad. Por ejemplo, cuando un piano y luego una flauta tocan una nota con la misma intensidad y tono (digamos, el do central), hay una clara diferencia en el sonido total. Nunca confundiramos un piano con una flauta. Esto es lo significa timbre o calidad de un sonido. Para instrumentos musicales se usa tambin el trmino color del tono.La manera en que se toca un instrumento influye considerablemente en la calidad del sonido. Por ejemplo, al puntear una cuerda de violn, se obtiene un sonido muy diferente que al pasar un arco sobre ella. El espectro de sonido al mero principio (o final) de una nota, como cuando un martillo golpea una cuerda de piano, puede ser muy diferente del subsecuente tono sostenido. Esto tambin afecta la calidad subjetiva del tono de un instrumento. Un sonido ordinario, como el producido por dos piedras que chocan entre s, es un ruido que tiene una cierta calidad, pero no es discernible un tono claro. Tal ruido es una mezcla de muchas frecuencias que tienen poca relacin entre s.

Interferencia de las ondas de sonido: Pulsos.Considere dos altavoces grandes, A y B, separados una distancia d en el escenario de un auditorio como se muestra en la figura. Supongamos que los dos altavoces emiten ondas sonoras de la misma frecuencia simple y que estn en fase: es decir, cuando uno forma una compresin, lo mismo hace el otro. Las lneas curvas en el diagrama representan las crestas de ondas sonoras de cada altavoz en un instante dado. Debemos recordar que para una onda sonora, una cresta es una compresin del aire; mientras que un valle, que cae entre dos crestas, es una rarefaccin. Una persona o detector ubicado en un punto como el C, que est a la misma distancia de cada altavoz, captar un sonido intenso porque la interferencia ser constructiva: dos crestas alcanzan C en un momento dado, y dos valles se alcanzan en un momento posterior. Por otro lado, en un punto como el D en el diagrama, se escuchar poco sonido porque ah se presenta interferencia destructiva; las compresiones de una onda encuentran las rarefacciones de la otra, y viceversa.

Pulsos: Interferencias en el tiempo.Un ejemplo interesante e importante de interferencia que ocurre en el tiempo es el fenmeno conocido como pulsos: es decir, si dos fuentes de sonido, por ejemplo dos diapasones, tienen frecuencias cercanas pero no exactamente iguales, las ondas de sonido de las dos fuentes interfieren entre s y el nivel de sonido en una posicin dada se eleva y cae alternadamente, ya que las dos ondas a veces estn en fase y a veces estn fuera de fase, debido a sus diferentes longitudes de onda. Los cambios de intensidad regularmente espaciados se llaman pulsos.

El efecto DopplerUsted quizs habr notado que el tono de una sirena de un camin de bomberos disminuye abruptamente al pasar frente a usted y alejarse. O tal vez habr notado el cambio de tono de un claxon de un automvil que pasa frente a usted a gran rapidez. El tono del ruido del motor de un auto de carreras cambia al pasar frente a un espectador. Cuando una fuente de sonido se mueve hacia un observador, el tono que el observador escucha es mayor que cuando la fuente est en reposo; y cuando la fuente se aleja del observador, el tono es menor. Este fenmeno se conoce como efecto Doppler y ocurre para todo tipo de ondas.

Ondas de choque y estampido snicoSe dice que un objeto como un avin que viaja ms rpido que la rapidez del sonido tiene una rapidez supersnica. A tal rapidez se conoce a menudo como nmero Mach, que se define como la razn de la rapidez del objeto con respecto de la rapidez del sonido en el medio circundante. Por ejemplo, un avin que viaja a 600 m/s a gran altura en la atmsfera, donde la rapidez del sonido es slo de 300 m/s, tiene un valor de Mach 2.Cuando una fuente de sonido se mueve a rapidez subsnica (menor que la rapidez del sonido), el tono del sonido se altera. No obstante, si una fuente de sonido se mueve ms rpido que la rapidez del sonido, ocurre un efecto ms dramtico conocido como onda de choque. En este caso, la fuente est en realidad rebasando la onda que produce. Cuando el objeto se mueve ms rpido, con rapidez supersnica, los frentes de onda se apilan uno con otro a lo largo de los lados. Las diferentes crestas de onda se traslapan entre s y forman una sola cresta muy grande, que es la onda de choque. Detrs de esta cresta muy grande se tiene usualmente un valle muy grande. Una onda de choque es esencialmente el resultado de interferencia constructiva de un gran nmero de frentes de onda. Una onda de choque en el aire es como la estela de un bote que viaja ms rpido que la rapidez de las olas que produce.

Aplicaciones: Sonar, ultrasonido y formacin de imgenes en medicinaSonarLa reflexin del sonido se usa en muchas aplicaciones para determinar distancias. El sonar o tcnica de ecos de pulsos se usa para localizar objetos sumergidos. Un transmisor enva un pulso snico a travs del agua, y un detector recibe su reflejo, o eco, poco tiempo despus. Este intervalo de tiempo es cuidadosamente medido y con l, se puede determinar la distancia al objeto reflejante, ya que se conoce la rapidez del sonido en el agua. La profundidad del mar, la ubicacin de arrecifes, barcos hundidos, submarinos o bancos de peces pueden determinarse de esta manera. La estructura interior de la Tierra se estudia de manera similar, detectando las reflexiones de ondas que viajan a travs de la Tierra cuya fuente fue una explosin deliberada (llamadas sondeos). El anlisis de ondas reflejadas desde varias estructuras y fronteras dentro de la Tierra revela patrones caractersticos que tambin son tiles en la exploracin de petrleo y minerales.El sonar hace uso generalmente de frecuencias ultrasnicas; es decir, ondas cuyas frecuencias son mayores de 20 kHz, y que estn ms all del rango de la deteccin humana. Para el sonar, las frecuencias estn tpicamente en el rango de 20 a 100 kHz. Una razn para usar ondas ultrasnicas, aparte del hecho de que no son audibles, es que para longitudes de onda cortas hay menos difraccin (seccin 15-11), por lo que el haz se dispersa menos y pueden detectarse objetos ms pequeos.Formacin de imgenes mdicas con ultrasonidoEl uso de ultrasonido en diagnsticos mdicos en forma de imgenes (llamadas a veces sonogramas) es una importante e interesante aplicacin de principios fsicos. Se usa una tcnica de pulsos y ecos, muy parecida al sonar, excepto que las frecuencias utilizadas estn en el rango de 1 a 10 MHz (1 MHz -106 Hz). Un pulso de sonido de alta frecuencia se dirige hacia el cuerpo y se detectan sus reflexiones desde fronteras o interfaces entre rganos y otras estructuras, as como lesiones en el cuerpo. Esto permite distinguir tumores y otros crecimientos anormales, o bolsas de fluido; tambin se puede examinar la accin de las vlvulas cardiacas y el desarrollo de un feto; y es posible obtener informacin acerca de varios rganos del cuerpo, como el cerebro, el corazn, el hgado y los riones; aunque el ultrasonido no sustituye a los rayos X, para ciertas clases de diagnstico resulta muy til. Algunos tipos de tejido o fluido no pueden detectarse en las radiografas de rayos X, sin embargo, las ondas ultrasnicas se reflejan en sus fronteras; las imgenes de ultrasonido en tiempo real son como una pelcula de una seccin del interior del cuerpo.