LABORATORIO DIAPASÓN Y PERTURBACIÓN DEL MEDIO: SONIDO Y ONDAS SONORAS

INTRODUCCIÓN

Siendo el sonido nuestro tema de estudio en este laboratorio, de su comportamiento en diversos medios, primero definamos lo que se llevara a cabo durante las experiencias.
El experimento que a continuación realizamos tendrá dos grandes protagonistas, el diapasón y los medios en los que lo hagamos sonar. Para observar el comportamiento de las ondas en los medios, haremos sonar el diapasón. El diapasón consta de dos ramas encargadas de generar las ondas sonoras al ser golpeadas, perturbando de esta manera el aire que la rodea generando una región de alta presión denominada compresión justo cuando las ramas de separan, mientras que cuando estas se acercan, la región es de baja presión y esta denominada como dilatación. Las vibraciones generadas por el diapasón se dirigen en todas las direcciones de las partículas del aire, produciendo así las ondas sonoras.


OBJETIVOS:

• Llevar a la práctica los conocimientos aprendidos en el modulo de ondas sonoras.
• Analizar la perturbación de diferentes medios a causa del sonido.
• Determinar en cuál medio se propagan más rápido las ondas sonoras.

MATERIALES:

• Martillo de madera
• Diapasón. Figura 7.
• Péndulo sencillo
• Agua
• Recipiente
• Mesa
• Varilla de aluminio

MARCO TEÓRICO

Ondas sonoras y sonido

Las ondas sonoras pueden viajar a través de cualquier medio material con una velocidad que depende de las propiedades del medio. Cuando viajan, las partículas en el medio vibran para producir cambios de densidad y presión a lo largo de la dirección de movimiento de la onda. Estos cambios originan una serie de regiones de alta y baja presión llamadas condensaciones y rarefacciones, respectivamente.
Cuando se produce una perturbación periódica en el aire, se originan ondas sonoras longitudinales. Por ejemplo, si se golpea un diapasón con un martillo, las ramas vibratorias emiten ondas longitudinales. El oído, que actúa como receptor de estas ondas periódicas, las interpreta como sonido.
El término sonido se usa de dos formas distintas. Los fisiólogos definen el sonido en término de las sensaciones auditivas producidas por perturbaciones longitudinales en el aire. Para ellos, el sonido no existe en un planeta distante. En física, por otra parte, nos referimos a las perturbaciones por sí mismas y no a las sensaciones que producen. Sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico.

Producción de una onda sonora.

Deben existir dos factores para que exista el sonido. Es necesaria una fuente de vibración mecánica y también un medio elástico a través del cual se propague la perturbación. La fuente puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire vibrando en un tubo de órgano. Los sonidos se producen por una materia que vibra. La necesidad de la existencia de un medio elástico se puede demostrar colocando un timbre eléctrico dentro de un frasco conectado a una bomba de vacío. Cuando el timbre se conecta a una batería para que suene continuamente, se extrae aire del frasco lentamente. A medida que va saliendo el aire del frasco, el sonido del timbre se vuelve cada vez más débil hasta que finalmente ya no se escucha. Cuando se permite que el aire penetre de nuevo al frasco, el timbre vuelve a sonar. Por lo tanto, el aire es necesario para transmitir el sonido.
Ahora estudiemos más detalladamente las ondas sonoras longitudinales en el aire que proceden de una fuente que producen vibraciones. Una tira metálica delgada se sujeta fuertemente en su base, se tira de uno de sus lados y luego se suelta. Al oscilar el extremo libre de un lado a otro con movimiento armónico simple, se propagan a través del aire una serie de ondas sonoras longitudinales periódicas que se alejan de la fuente. Las moléculas de aire que colindan con la lámina metálica se comprimen y se expanden alternativamente, transmitiendo una onda. Las regiones densas en las que gran número de moléculas se agrupan acercándose mucho entre sí se llaman compresiones. Son exactamente análogas a las condensaciones estudiadas para el caso de ondas longitudinales en un resorte en espiral. Las regiones que tienen relativamente pocas moléculas se conocen como rarefacciones. Las compresiones y rarefacciones se alternan a través del medio en la misma forma que las partículas de aire individuales oscilan de un lado a otro en la dirección de la propagación de la onda. Puesto que una compresión corresponde a una región de alta presión y una rarefacción corresponde a una región de baja presión, una onda sonora también puede representando trazando en una gráfica el cambio de presión P como una función de la distancia x. La distancia entre dos compresiones o rarefacciones sucesivas es la longitud de onda. Observese figuras 8 y 9.

La velocidad del sonido.

Cualquier persona que haya visto a cierta distancia cómo se dispara un proyectil ha observado el fogonazo del arma antes de escuchar la detonación. Ocurre algo similar al observar el relámpago de un rayo antes de oír el trueno. Aunque tanto la luz como el sonido viajan a velocidades finitas, la velocidad de la luz es tan grande en comparación con la del sonido que pueden considerarse instantánea. La velocidad del sonido se puede medir directamente determinando el tiempo que tardan las ondas en moverse a través de una distancia conocida. En el aire, a 0ºC, el sonido viaja a una velocidad de 331 m/s (1087 ft/s).
La velocidad de una onda depende de la elasticidad del medio y de la inercia de sus partículas. Los materiales más elásticos permiten mayores velocidades de onda, mientras que los materiales más densos retardan el movimiento ondulatorio. Las siguientes relaciones empíricas se basan en estas proporcionalidades.

Ondas Sonoras

Hemos definido el sonido como una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. Éste es una definición amplia que no impone restricciones a ninguna frecuencia del sonido. Los fisiólogos se interesan principalmente en las ondas sonoras que son capaces de afectar el sentido del oído. Por lo tanto, es conveniente dividir el espectro del sonido de acuerdo con las siguientes definiciones.
Sonido audible es el que corresponde a las ondas sonoras en un intervalo de frecuencias de 20 a 20 000 Hz.
Las ondas sonoras que tienen frecuencias por debajo del intervalo audible se denominan infrasónicas.
Las ondas sonoras que tienen frecuencias por encima del intervalo audible se llaman ultrasónicas.
Cuando se estudian los sonidos audibles, los fisiólogos usan los términos, fuerza, tono y calidad (timbre) para describir las sensaciones producidas. Por desgracia, estos términos representan magnitudes sensoriales y por lo tanto subjetivas. Lo que es volumen fuerte para una persona es moderado para otra. Lo que alguien percibe como calidad, otro lo considera inferior. Como siempre, los físicos deben trabajar con definiciones explícitas medibles. Por lo tanto, el físico intenta correlacionar los efectos sensoriales con las propiedades físicas de las ondas.
Las ondas sonoras constituyen un flujo de energía a través de la materia. La intensidad de una onda sonora específica es una medida de la razón a la cual la energía se propaga a través de un cierto volumen espacial. Un método conveniente para especificar la intensidad sonora es en términos de la rapidez con que la energía se transfiere a través de la unidad de área normal a la dirección de la propagación de la onda. Puesto que la rapidez a la cual fluye la energía es la potencia de una onda, la intensidad puede relacionarse con la potencia por unidad de área que pasa por un punto dado.

Efecto Doppler

Siempre que una fuente sonora se mueve en relación con un oyente, el tono del sonido, como lo escucha el observador, puede no ser el mismo que el que percibe cuando la fuente está en reposo. Por ejemplo, si uno está cerca de la vía del ferrocarril y escucha el silbato del tren al aproximarse, se advierte que el tono del silbido es más alto que el normal que se escucha cuando el tren está detenido. A medida que el tren se aleja, se observa que el tono que se escucha es más bajo que el normal. En forma similar, en las pistas de carreras, el sonido de los automóviles que se acercan a la gradería es considerablemente más alto en tono que el sonido de los autos que se alejan de la gradería.


PROCEDIMIENTO Y EXPERIENCIAS

1. Se tomo el diapasón, se golpeo con un martillo y se acerco a un péndulo. Observar lo que sucede con las ondas sonoras.

Anotaciones:
Aparentemente no se observan cambios en el péndulo, ya que la propagación de las ondas sonoras en este es difícil de percibir con el ojo humano, el sonido provocado por el diapasón se esparce por el aire y se prolonga la duración de la vibración del diapasón.

2. Se golpea nuevamente el diapasón con un martillo y se acerca a una pared. Observar lo que sucede.

Anotaciones:
Como dijimos al comienzo del informe, si se golpea un diapasón con un martillo, las ramas vibratorias emiten ondas longitudinales. El oído, que actúa como receptor de estas ondas periódicas, las interpreta como sonido; pero si acercamos el diapasón a la pared, no se verá, igual que anteriormente, cambio alguno precibible, pero si acercamos el oído a la pared podemos escuchar un no muy nítido sonido debido a poca fuerza de las vibraciones del diapasón
El sonido se propaga con mayor velocidad en los medios más rígidos, lo que hace un poco difícil que se perciba en este tipo de medios con claridad.

3. Se golpea nuevamente el diapasón con el martillo de madera pero esta vez lo introducimos en un recipiente con agua. Observar lo que sucede.

Anotaciones:
En este medio si se puede observar con claridad la perturbación del medio, dado que la velocidad de propagación es mayor que en los medios rígidos como dijimos inmediatamente antes, vemos como las ondas viajan de manera circular alrededor del diapasón en el agua, y se hace claro el hecho para el sentido de la vista, la perturbación por la vibración en el agua generada por el diapasón.

4. golpeamos una vez más con el martillo el diapasón y se coloca el oído sobre el cajón, base del diapasón. Observar lo que sucede.

Anotaciones:

Las ondas sonoras se propagan en todas las direcciones en el aire, lo que permite que sintamos un eco, una especie de repetición del sonido dentro del cajón que es la base del diapasón.

5. Donde es más notoria la alteración del medio por el sonido ¿en los líquidos o en los gases? ¿En los sólidos o en los líquidos?

La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se transmite dicha propagación; presión, temperatura, humedad, entre otro.Sin duda alguna, y corroborado a través de la experiencia en los laboratorios, sería más notoria la perturbación por el sonido en un medio liquido que en uno gaseoso o solido.
Tenemos lo siguiente:
La velocidad del sonido en el agua, a 35 °C, es de 1.493 m/s y a 20 °C, es de 1498 m/s, mientras que en medios rígidos o sólidos puede llega a ser hasta 15 veces más que la velocidad del sonido en el aire.

6.¿Cuál cree usted que es el fenómeno que ocurre? ¿Cómo puede escribirse matemáticamente?

Esto se debe al mayor grado de cohesión que tienen los enlaces atómicos o moleculares conforme más sólida es la materia.

Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la velocidad de onda está dada por: V= ⎷ (Y/p), donde Y es el módulo de Young para el sólido y p es su densidad. Esta relación es válida sólo para varillas cuyos diámetros son pequeños en comparación con las longitudes de las ondas sonoras longitudinales que se propagan a través de ellas.

En un sólido extendido, la velocidad de la onda longitudinal es función del módulo de corte S, el módulo de volumen B, y la intensidad p del medio. La velocidad de la onda se puede calcular a partir de: V=⎷((B+4/3S)/p)

Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una velocidad que se determina a partir de: V= ⎷ (B/p), donde B es módulo de volumen para el fluido y p es su densidad.

Para calcular la velocidad del sonido en un gas, el módulo de volumen está dado por: B= YP donde y es la constante adiabática (y = 1.4 para el aire y los gases diatómicos) y P es la presión del gas. Por lo tanto, la velocidad de las ondas longitudinales en un gas, partiendo de la ecuación del fluido, está dada por : V= ⎷(B/p) = ⎷(YP/p)

Pero para un gas ideal: P/p = RT/M donde R = constante universal de los gases T = temperatura absoluta del gas M = masa molecular del gas

Sustituyendo la ecuación nos queda: V= ⎷(YP/p) = ⎷(YRT/M)

CONCLUSIONES

Gracias a las experiencias durante el laboratorio, podemos determinar que, el sonido tiene la capacidad de perturbar con mayor facilidad un medio liquido que uno gaseoso o solido, pero que la velocidad del sonido (ondas sonoras) se hace mayor en los medios sólidos, en los gases puede alcanzar velocidades hasta 15 veces mayores que en el aire, y que las ondas sonoras longitudinales, o las que se generan en el aire, el oído las percibe como sonido.