Luz y sonido

Electricidad. Ondas. Propagación. Reflexión. Refracción. Dispersión. Energía

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Las ondas: características y clasificación

Movimientos ondulatorio y vibratorio:

El movimiento ondulatorio es el proceso por el cual se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas. Cuando estas ondas necesitan un medio material, se llaman ondas mecánicas.

Si se produce una vibración en un punto de un medio elástico, esta se transmite a todos los puntos de éste. Las ondas mecánicas son las perturbaciones que se transmiten por este medio. Cuando el movimiento es uniforme, se llama vibración armónica

Cuando una partícula se mueve desde un punto extremo, hasta el otro y vuelve (pasando dos veces por la posición de equilibrio), decimos que ha hecho una oscilación o vibración completa.

Un movimiento ondulatorio es la propagación a través del espacio de un movimiento vibratorio, producido en un punto llamado foco emisor de ondas.

Una onda es la representación de la situación que adoptan en el espacio las partículas del medio, sometidas a la perturbación creada en el foco emisor, en un momento determinado.

Cuando el foco emisor produce una perturbación esta se propaga con una cierta velocidad por el material que la rodea, la cual llega a las distintas partículas y se ponen a vibrar.

Propagación del movimiento vibratorio:

Las partículas no se desplazan por efecto de la vibración a lo largo del medio; lo que se transmite en el movimiento ondulatorio es la energía producida en el foco.

En un movimiento ondulatorio se produce una propagación de energía sin que exista transporte de materia a lo pargo del medio.

Clasificación de las ondas:

Según el medio de propagación:

-Mecánicas: la interacción entre las partículas del medio. Solo se propagan por medios materiales.

-Electromagnéticas: se propagan por medio de variaciones del campo eléctrico y del magnético que forman la onda. No necesitan medios para su propagación.

Según las direcciones:

-Transversales: las ondas tienen un movimiento perpendicular al desplazamiento ondulatorio.

-Longitudinales: los movimientos de las ondas son paralelos.

Características de las ondas:

Amplitud (A): es el desplazamiento máximo respecto a la posición de equilibrio. Se mide en metros.

Longitud de la onda (): distancia entre dos puntos del medio que se encuentran en el mismo estado de vibración. Se mide en metros.

Periodo (T): tiempo que tarda en producirse una oscilación completa de una partícula. Se mide en segundos.

Frecuencia (f): numero de oscilaciones completas que se producen en un segundo. Se mide en hertz (Hz): 1 Hz = 1 oscilacion/s.

f = 1/ T

Velocidad de propagacion (v): velocidad con la que se propaga la perturbación. Se mide en metros por segundo.

v = ·f

Un tipo de ondas materiales: el sonido

Las ondas sonoras de producen en un foco emisor que comienza a vibrar transmitiendo su vibracion a las particulas que estan a su alrededor. Para que haya sonido, se requiere ademas un medio material por el que se propaguen las ondas.

En la propagacion del sonido no hay desplazamiento global de la materia. Lo que se transmiten son las sucesivas comprensiones y dilataciones provocadas en el foco emisor.

Las ondas sonoras con ondas mecanicas y longitudinales, originadas por un foco emisor que al vibrar procude comprensiones y dilataciones en el medio.

La sensación auditiva es un impulso nervioso que el cerebro procesa al llegar al oido una onda sonora. Esta sensación es subjetiva, depende de cada persona.

Las dilataciones y comprensiones producen una vibracion en la membrana del timpano. Este transforma la señal dde forma que pueda ser transportado por el medio auditivo hasta el cerebro, donde se completa el proceso de audición.

El sistema nervioso humano tiene una sensación auditiva para frecuencias entre 20Hz y 20000Hz. Las ondas con mayor frecuencia se llaman ultrasonidos y no son percividas por las personas.

Velocidad del sonido

La velocidad del sonido depende de las propiedades del medio en el que se propague. Es mayor en los solidos que en los liquidos, y en estos es mayor que en los gases.

En los solidos donde la distancia entre las particulas es constante. En los liquidos, y sobre todo en los gases, la velocidad aumenta con la temperatura. La velocidad del sonido en el aire (a 1 atm y 0 ºC) es de 331m/s y a 20º la velocidad aumenta hasta 343m/s.

Caracteristicas del sonido:

-Intensidad o volumen: clasifica los sonidos como fuertes o debiles. La cantidad de sensación auditiva que produce en el ser humano se llama sonoridad. La unidad de la sonoridad es el belio (B), aunque se utiliza su decima parte: decibelio (dB).

-Frecuencia: permite distinguir entre sonidos agudos y graves (tono). Los graves son las frecuencias bajas, los agudos las altas.

-La forma de onda: característica que permite diferenciar sonidos de la misma intensidad y frecuencia. El timbre nos permite distinguir la voz de dos personas distintas o una misma nota musical emitida por diferentes instrumentos.

Las caracteristicas fisicas del sonido (intensidad, frecuencia y forma de onda) pueden describirse tambien por medio de las caracteristicas subjetivas( sonoridad, tono y timbre)

La luz y su propagacion

La luz es energia radiante que se propaga en forma de ondas electromagneticas. Estas ondas estan clasificadas en orden creciente, los valores de sus frecuencias en el espectro electromagnetico.

La luz que es percivida por el ojo humano es una pequeña parte del espectro electromagnetico, esta zona se conoce como “visible” y esta entre las frecuencias 4·1014 y 8·1014.

En esta zona del espectro se distinguen 7 colores monocromaticas.

'Luz y sonido'

La vision se produce medio reacciones fotoquimicas que estan provocadas por la energia de la luz que llega a la retina. El nervio optico transmite un impulso al cerebro que lo transforma en sensaciones luminosas.

La luz es una onda electromagnetica que tiene su origen en la propagacion de una oscilación electrica y de otra magnetica perpendiculares entre si.

'Luz y sonido'

¿Onda o crepúsculo?

En el siglo XVII se establecieron dos teorias sobre la naturaleza de la luz, ambas basadas en hechos experimentales: una que la consideraba formada por crepúsculos y otra que afirmaba que es una onda.

A principio del siglo XX las dos teorias se sintetizaron en una: la luz tiene un comportamiento dual. Es a la vez onda y crepúsculo, se comporta de 1 modo o de otro dependiendo el fenómeno que se estudie.

La velocidad de propagacion de la luz

La luz se propaga en el vacio con una velocidad tan alta que se penso que su propagacion era instantanea. Ahora sabemos que la velocidad de la luz en el vacio es de 3·108 m/s.

Se denomina indice de refraccion de un medio, n, a la relacion entre la velocidad de la luz en el vacio, c, y la velocidad de la luz en dicho medio, v.

n = c/v

Propagación de la luz

La luz se propaga en linea recta. Si el foco de luz es muy pequeño, las sombras que produce un objeto opaco son nitidas. Si el foco es grande la sombra esta acompañada por una zona de penumbra que es mas ancha cuanto mayor es el foco.

'Luz y sonido'

Las lineas rectas que representan la propagacion de la luz se denomina rayos. Si la luz procede de un objeto que cambia de direccion, nuestros ojos y nuestro cerebro localizan su imagen como si la luz les llegase en linea recta.

Reflexion y refraccion de la luz

Cuando la luz incide sobre una superficie que no atraviesa, cambia su direccion de propagacion. Los rayos que inciden contra la superficie se reflejan rebotando contra la superficie.

Para el estudio geometrico de este fenómeno se considera un rayo que incide oblicuamente sobre un punto O de la superficie y sufre reflexión. El rayo continua por el mismo medio en otra direccion.

-La normal: linea imaginaria perpendicular a la superficie den el punto O donde incide el rayo.

-Angulo de incidencia, î: angulo agudo que forman el rayo incidente y la normal.

-Angulo reflejado, î': angulo agudo que forman la normal y el rayo reflejado.

Leyes de la reflexion:

  • El rayo incidente, el reflejado y la normal estan en el mismo plano.

  • Los angulos de incidencia y reflexion son iguales. î = î'

Los objetos no luminosos reflejan la luz en todas las direcciones, una parte de ella llega hasta nuestros ojos produciendo el efecto de la vision. A esto se le llama reflexion difusa, se debe a que las superficies de los objetos son muy irregulares, eso hace imposible la formación de imágenes sobre ellos.

Si la superficie esta pulida la reflexion se produce en una sola direccion formando imágenes sobre ella. Reflexion especular.

Una consecuencia de la reflexion es la luz y el color que presentan los cuerpos.

Refraccion

Cuando un rayo de luz oblicuamente en la superficie de separacion de dos medios materiales con diferente indice de refraccion, parte se refleja y otra parte pasa al segundo medio.

El rayo cambia su velocidad y su direccion.

Leyes de refraccion:

  • El rayo incidente y la normal estan en el mismo plano.

  • Las direcciones de propagacion de los rayos incidente y refractado estan relacionadas por la ecuación de Snell:

n1 sen î = n2 sen r

El producto del indice de refraccion de un medio por el seno del angulo que forma el rayo con la normal en ese medio se denomina invariante de refraccion.

Dispersión

La frecuencia, f, la longitud de la onda, 0, es la velocidad de la luz en el vacio, c.

c= 0·f

La frecuencia de la luz es la unica magnitud que no varia al cambiar de medio. Si la velocidad de propagacion varía al cambiar de un medio a otro, la longitud de la onda debe hacerlo tambien de forma que se cumpla:

v = f

Cuando la luz atraviesa un medio material diferente al aire las velocidades de los colores que forman la luz blanca varian, y tambien sus direcciones de propagacion formandose un arco con los colores del espectro visible del rojo al violeta: dispersión.

El indice de refraccion de un medio tiene un valor diferente para cada color que forma la luz blanca. Esto origina la dispersión de la misma.

La energia que transportan las ondas

Los movimientos ondulatorios se originan por perturbaciones producidas por una particula que vibra. Cuando una particula es alcanzada por una perturbación, se ve sometida a un movimiento vibratorio harmonico con las mismas caracteristicas de las de la perturbación original.

El movimiento ondulatorio transporta la energia de un oscilador a traves del medio sin que se produzca desplazamiento global de la materia.

Los movimientos ondulatorios son capaces de propagar cantidades muy grandes de energia.

Intensidad de las ondas:

La energia de un movimiento ondulatorio depende de la cantidad de participas que forman el medio y que vibran. No se pueden medir directamente. Para valorar la cantidad de energia transportada de define la intensidad de un movimiento ondulatorio.

La intensidad, I, de una onda es la energía que atraviesa la unidad de superficie en la unidad de tiempo de forma perpendicular a la direccion de propagación.

I = E/St

Bibliografía:

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