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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, la
experimentación como tal, es una oportunidad que tenemos para imaginar, diseñar,
probar, argumentar, refutar, proponer, cambiar y, sobre todo, poner a prueba nuestras
habilidades y destrezas en la resolución de problemas no previstos en los argumentos
teóricos.Ninguna guía de laboratorio puede prever todas “las trampas” que generalmente
nos tiende la naturaleza. En física, el experimento es la fuente del conocimiento y en el
mundo 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=related
INTRODUCCIÓN.
En el experimento anterior se estudiaron las ondas estacionarias en una cuerda sometida a
diferentes tensiones.En dicho experimento se pudo verificar la dependencia entre la velocidad de
fase, la densidad lineal de masa y la tensión aplicada a la cuerda en cuestión. Vimos que esa
dependencia 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 una
cuerda –ecuación (1)- la tensión aplicada a la cuerda va el en numerador mientras que, la densidad
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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 gas
ideal, 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. Es
una 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 el
volumétrico, los cuales son propiedades físicas de los medios materiales relacionadas con las
fuerzas recuperadoras y con la rigidez del medio material mediante la ley de Hooke. Lo importante
en este punto es la similitud entre estas expresiones y la obtenida para las ondas en una cuerda
tensa.
1
De 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 en
condiciones comunes de presión y temperatura, los resultados que se obtienen con el tratamiento
teórico 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 –por
ejemplo el aire- o, en un cuerpo rígido –como una barra de acero, por ejemplo-. El sonido son
fluctuaciones de la presión y la densidad alrededor de sus valores estáticos de las partículas del
medio. Si el medio material es aire, el cambio en la presión y en la densidad del aire es lo que
constituye el sonido. Así, cuando la presión y la densidad del aire cambian con una frecuencia de
440 Hz, al sonido se le llama la –central- es el sonido que percibimos al levantar el teléfono. Si el
cambio ocurre a 261.6 Hz, el sonido se llama do central. El oído humano percibe frecuencias entre
los 20 Hz y los 20.000 Hz. No ocurre lo mismo con otras especies como los perros, los elefantes o
2
los murciélagos .
La siguiente figura nos muestra que, al perturbar un fluido –como el aire-, realmente se presentan
tres movimientos ondulatorios simultáneos. Uno de desplazamiento, y dos más de presión
ydensidad.
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Véase Física de Ondas, pág. 30. Ed. Universidad de Antioquia. ALZATE LÓPEZ HECTOR.
2
Obra citada.
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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 en
un fluido también depende de la temperatura de dicho fluido. En particular, la rapidez del sonido en
el aire viene dada por:
……….(3)
donde, es la temperatura y, , es una constante cuyo valor
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depende 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.
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Recuerde un poco sobre la teoría cinética de los gases de su curso de química de décimo grado.
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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.
PRECAUCIONES
Las dispuestas en el uso de los instrumentos del laboratorio y socializadas con su
profesor en la primera reunión.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
ACTIVIDAD 1:
En esta actividad utilizará un sonido simulado el cual encontrará al entrar al siguiente
enlace.
http://phet.colorado.edu/simulations/sims.php?sim=Sound
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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, descubrir
con 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.
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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 a
trazos representa el tono original de 200 Hz?
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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=related
Use los diapasones, el osciloscopio, el micrófono con sondapara observar:
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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?
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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
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