Unidad 3 contenidos

Contenidos
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La luz y el sonido
Índice
1 Las ondas
2 Propiedades de la luz
3 Reflexión y refracción de la luz
4 Luz y visión
5 Contaminación lumínica
6 Propiedades del sonido
7 Sonido y audición
8 Contaminación acústica
1. Las ondas
Una onda es la propagación a través del espacio de una perturbación sin que haya
transporte de materia, es decir, transportando solo la energía que la originó.
La perturbación puede ser una alteración o una variación en la densidad, en la presión o en el campo electromagnético. Los distintos tipos de ondas pueden propagarse
en el vacío, en el aire o en cualquier otro medio.
1.1. Clasificación de las ondas
Las ondas son fenómenos físicos muy conocidos: el oleaje, los terremotos, las ondas
de radio o el ruido son consecuencia de la presencia de distintos tipos de ondas. Según
su naturaleza, las ondas se clasifican en:
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>>Ondas electromagnéticas. Se trata de un campo electromagnético variable y se
transmite sin necesidad de un medio material, es decir, pueden propagarse en el
vacío. Ejemplos de ondas electromagnéticas son la luz visible, los rayos X, las ondas
de radio, etc.
>>Ondas mecánicas. Necesitan un medio material para propagarse. Ejemplos de on-
das mecánicas son el sonido, las ondas producidas en el agua al caer cualquier objeto,
la cuerda de una guitarra vibrando, etc.
Dependiendo del movimiento de vibración que experimentan, las ondas pueden
clasificarse en:
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>>Ondas transversales. En este caso, el movimiento de vibración de la onda es per-
pendicular al sentido de propagación. Piensa en una cuerda atada a la pared por un
extremo, mientras sostienes el otro extremo con la mano. Súbitamente realizas un
movimiento seco hacia arriba y abajo. Esta perturbación se transmite por toda la
cuerda hasta llegar a la pared, de forma que la perturbación (que podemos observar
como un movimiento hacia arriba y hacia abajo) es perpendicular a la propagación
(en horizontal). Todas las ondas electromagnéticas son transversales, por ejemplo,
la luz visible.
Propagación
Perturbación
Ondas transversales.
>>Ondas longitudinales. Se trata de ondas en las que la perturbación y el sentido de la
propagación tienen la misma dirección. Para entenderlo puedes imaginar un muelle
muy largo como el de la imagen. Comprime varios bucles a la vez y suéltalos súbitamente. Se producirá una perturbación que recorrerá el muelle, comprimiendo y
extendiendo las zonas por donde pasa. Un ejemplo son las ondas sonoras.
1.2. Características de las ondas
Imagina una boya en mitad de un estanque que sufre el efecto de una pequeña
ola. Empezará a subir y bajar. Esta imagen nos sirve para estudiar las características
fundamentales de las ondas.
Posición de
equilibrio
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Cresta
Valle
Longitud de
onda (λ)
algaida
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Amplitud de onda
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>>Posición de equilibrio: es la posición en la que estaría la boya si no existiese la ola.
>>Cresta: el valor más elevado que puede tomar la perturbación, es decir, la altura
máxima de la boya.
>>Valle: el valor más bajo que puede tomar la perturbación, es decir, la altura mínima
de la boya.
>>Amplitud: es la distancia entre un valle o cresta y la posición de equilibrio.
>>Longitud de onda: es la distancia que separa dos puntos con las mismas caracterís-
ticas, por ejemplo, la distancia entre dos valles o dos crestas. La longitud de onda se
representa con la letra griega λ (lambda).
>>Frecuencia: es el número de veces que se repite la perturbación en un segundo. Se
mide en s-1 o hercios (Hz). La frecuencia se representa con la letra f.
>>Periodo: es el tiempo que trascurre en repetirse la perturbación. Se mide en segun-
dos y es el inverso de la frecuencia: T= l
f
>>Velocidad de propagación: es el espacio que recorre la onda por unidad de tiempo. Debes tener cuidado, porque aquí se está hablando de velocidad de propagación, es decir,
no se trata de la velocidad de subida y bajada de la boya. La velocidad de la onda puede
calcularse multiplicando la frecuencia por la longitud de onda: v = f λ
T= l
f
v=fλ
2. Propiedades de la luz
Una de las formas de propagación del calor es mediante la radiación que emiten los
cuerpos. En realidad la luz es un tipo de radiación electromagnética; así es cómo nos
llega parte de la energía del Sol. Pero la radiación electromagnética engloba un amplio
abanico de ondas electromagnéticas, entre las que encontramos la luz visible. Si representamos las ondas electromagnéticas en un gráfico que refleje las longitudes de onda
y sus energías, tenemos el espectro electromagnético. Como puedes ver, conforme disminuye la longitud de onda aumenta la cantidad de energía que transporta dicha onda.
Las propiedades de la luz más importantes son:
>>Se propaga en línea recta.
>>La luz se propaga a diferente velocidad en los distintos medios. En el vacío, tiene
una velocidad limitada y constante de 300 000 km/s.
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>>Transporta energía. En este sentido tenemos dos tipos de objetos, las fuentes pri-
marias (emiten luz propia, como el Sol) o fuentes secundarias (son capaces de
reemitir parte de la luz que les llega, como los espejos o la Luna).
>>Se refleja y se refracta, es decir, es capaz de rebotar en algunos medios y de traspasar-
los. Dedicamos más adelante un epígrafe a esta propiedad.
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Espectro visible por el ser humano (luz)
Infrarrojos
Ultravioleta
750nm 700nm 650nm 600nm 550nm 500nm 450nm 400nm
Fuentes
de
emisión
Torre Antena
eléctrica
Frecuencia
extremadamente
baja
Móvil Radar Microondas
Onda media
UHF
Onda larga Onda corta VHF
Radio
Unidades de
longitud
de onda
102 103 104
(1 kilo-Hz)
1Mm
105 106 107
(1 Mega-Hz)
1km
Infrarrojo
Central
Nuclear
Rayos X
UV
A/B/C
Rayos
Rayos
Gamma cósmicos
Ultravioleta
Microondas
Longitud 107 106 105 104 103 102 101 100
de onda (m)
Frecuencia (Hz)
Radar
Luz
solar
10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15
108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023
(1 Giga-Hz)
(1 Tera-Hz)
(1 Peta-Hz)
(1 Exa-Hz)
(1 Zetta-Hz)
1m
1cm 1mm
1µm
1nm
1Â
1pm
1fm
Variación de
la frecuencia
Tamaño
relativo de
la onda
Edificio
Humano
Abeja
Punta
Proto- MoléNucleo
Átomo
de alfiler
zoo
cula
atómico
Longitud
de onda
Frecuencia
Energía
En adelante hablaremos de la luz visible para los seres humanos, entre frecuencias de 4 · 1014 Hz (luz roja) y 8 · 1014 Hz
(luz violeta).
2.1. La luz se propaga en línea recta
Es fácil probar que la luz se propaga en línea recta. Puedes ver los objetos que tienes
delante, pero no puedes verlos si están detrás de una esquina. Por otra parte, piensa en los
punteros láser: la luz sale formando un rayo en línea recta.
3. Reflexión y refracción de la luz
En este apartado vamos a estudiar qué ocurre cuando un rayo de luz se encuentra
con un objeto. En general pueden pasar tres cosas: el objeto absorbe el rayo (se produce un calentamiento), el objeto refleja el rayo o el objeto refracta (deja pasar) el rayo.
Dependiendo del objeto que sirve de obstáculo, pueden ocurrir los tres fenómenos a
la vez, dos de ellos o solo uno.
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Otra prueba de que la luz se propaga en línea recta es la formación de sombras.
Las sombras ocurren cuando un objeto opaco se interpone entre un rayo de luz y una
superficie. Este hecho explica además el fenómeno conocido como eclipse: un objeto
planetario se interpone entre el Sol y otro objeto. En la Tierra podemos disfrutar dos
tipos eclipses: eclipse de Sol y eclipse de Luna.
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3.1. Reflexión
La reflexión es el cambio de dirección que sufre un rayo de luz al chocar con la
superficie de un cuerpo.
El rayo que llega a la superficie del objeto recibe el nombre de rayo incidente,
mientras que el que sale rebotado es el rayo reflejado.
Normal
Rayo incidente
Ángulo de
incidencia
î
Rayo reflejado
Ángulo de
reflexión
r̂
î = r̂
El ángulo de incidencia î es
igual al ángulo de reflexión r̂.
Superficie incidente
La reflexión es también la causante de que veamos los objetos. Los cuerpos se ven
gracias a que reflejan en todas direcciones la luz que les llega.
Espejos
Un espejo es un cuerpo que posee la característica de reflejar la luz que incide sobre
él. Los espejos en general se construyen pulimentando perfectamente su superficie,
para que la luz se refleje de manera regular y por completo. Se dividen en planos y
curvos:
>>Espejos planos: se trata de superficies planas. Las imágenes producidas tienen el
mismo tamaño y guardan la misma relación de aspecto que los objetos reflejados.
>>Espejos curvos: son superficies curvas y producen imágenes distorsionadas. La ima-
gen resultante depende de la distancia a la que se encuentre el objeto reflejado.
Pueden ser a su vez cóncavos (como la parte interior de una cuchara) o convexos
(como la parte exterior de una cuchara o una esfera).
3.2. Refracción
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La refracción es el cambio de dirección que sufre un rayo de luz al pasar de un
medio a otro.
Como ya sabes, la luz viaja a distinta velocidad en diferentes medios. Por ejemplo, si
introduces una cañita de refresco en un vaso de agua, la refracción se produce porque
la luz viaja más deprisa en el aire que en el agua.
Al rayo que incide se le denomina rayo incidente, y al rayo que pasa al otro medio se le llama rayo refractado. Observa que en este caso los ángulos de incidencia
y refracción no son iguales. Al pasar de un medio donde viaja a más velocidad a otro
donde viaja a menor velocidad, el rayo refractado se acerca a la normal y viceversa.
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Ra
yo
normal
inc
id
en
te
î
n1
yo
Ra
n2
n1= índice de refracción en el medio 1.
do
cta
fra
re
r
r< î
n2= índice de refracción en el medio 2.
Lentes y formación de imágenes
Las lentes son objetos transparentes con alguna cara curva que pueden formar imágenes. Se clasifican en dos tipos: convergentes y divergentes.
4. Luz y visión
En primer lugar podemos preguntarnos por qué vemos los objetos. Resumimos la
respuesta en forma de proceso encadenado: un rayo de luz visible incide sobre el
objeto, el objeto lo refleja, el rayo reflejado incide en nuestro ojo, se refracta hacia el
interior donde se proyecta la imagen, se forma una imagen sobre la retina, la información es recogida por las células nerviosas, se produce un impulso nervioso que se
conduce al cerebro, y allí se interpreta la sensación de la vista.
El ojo es el órgano que permite a los seres vivos ver el mundo que les rodea y poder
adaptarse a él. El ojo también se denomina globo ocular y es una esfera cuyas partes
fundamentales son:
>>Esclerótica: capa protectora.
>>Córnea: parte transparente de la esclerótica por donde entra la luz.
>>Pupila e iris: el iris es el encargado de regular el paso de luz a través de la pupila, un
pequeño orificio de unos 3 mm de diámetro.
>>Cristalino: lente convergente que se encarga de focalizar la luz en la retina.
la luz: los bastones y los conos. Estas células transforman la luz en impulsos nerviosos
que viajan a través del nervio óptico. En la retina, la imagen se forma invertida, es decir,
al revés de como está realmente.
>>Nervio óptico: nervio encargado de conducir el impulso nervioso hasta el cerebro,
donde se interpretará la información recibida como una imagen real.
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>>Retina: capa donde se forma la imagen y que posee dos tipos de células receptoras de
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Coroides
Cristalino
Retina
Pupila
La luz y el sonido
Las cámaras de fotos funcionan de
una forma muy parecida al ojo. El cristalino enfoca las imágenes, igual que
las lentes de la cámara. El iris controla
el paso de luz, igual que el diafragma
de la cámara. La imagen se forma en
la retina, igual que en la película o
sensor.
Córnea
Nervio
óptico
Iris
Esclerótica
5. Contaminación lumínica
En el siglo xx se disparó el consumo de energía eléctrica y con él su uso desproporcionado y muchas veces irresponsable. Hemos llegado a tal punto que algunas
emisiones de luz pueden ser molestas e incluso problemáticas en algunos aspectos.
La contaminación lumínica es la emisión directa o indirecta de luz nocturna en
lugares y horarios improcedentes, proveniente de fuentes artificiales y que produce algún tipo de molestia o problema.
Una mala gestión en el alumbrado público, las vallas publicitarias y los alumbrados
de edificios puede producir deslumbramientos y dispersión de la luz, ocasionando
una serie de problemas que podrían tener fácil solución.
¿Cuáles son los problemas de la contaminación lumínica?
>>Se pierde la oscuridad de la noche, necesa-
ria para el descanso de los seres vivos.
>>Se dificultan las observaciones astronómi-
cas ya que el brillo de los cuerpos celestes
es muy débil y si el aire está iluminado se
pierde dicho brillo.
>>Riesgo de accidentes de tráfico y laborales.
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>>Desorientación en los animales salvajes.
>>Trastornos psicológicos en las personas.
Contaminación lumínica en una gran ciudad.
¿Cómo pueden solucionarse estos problemas?
A pesar de que la contaminación lumínica es imposible de eliminar debido a la
reflexión del suelo hacia la atmósfera, sí puede reducirse considerablemente. El uso
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responsable de la iluminación redunda además en un ahorro energético. Las medidas
más eficientes son:
>>Utilización de pantallas en el alumbrado público para que la luz se dirija exclusiva-
mente hacia abajo, nunca por encima de la horizontal.
>>Iluminar solo las zonas realmente necesarias o regular el consumo según las horas.
>>Apagar los alumbrados que tienen un objetivo ornamental, monumental o publici-
tario a partir de horas avanzadas en la noche.
>>Prohibir los cañones de luz láser que se enfocan directamente al cielo.
6. Propiedades del sonido
Estamos acostumbrados a escuchar sonidos de todo tipo a nuestro alrededor: voces,
timbres, vehículos, viento, etc. A continuación estudiaremos qué es el sonido, cuáles
son sus propiedades, cómo escuchamos y qué es la contaminación acústica.
6.1. ¿Cómo se produce un sonido?
El sonido se produce debido a la vibración de un cuerpo. Por ejemplo, si coges una
banda elástica de goma entre dos dedos y la haces vibrar, escucharás un sonido. Lo
mismo ocurre al pulsar la cuerda de una guitarra o golpear las palmas de la mano. En
todos los casos se produce una vibración.
Una vez producido el sonido, necesita un medio material para que se propague. En
los sólidos se transmite con más rapidez. Esto se debe a que al producirse el sonido
se produce una compresión de un conjunto de partículas. A continuación ocurre una
descompresión, que también se transmite. Así, se irán alternando compresiones y
descompresiones, un vaivén que se propaga por el medio material en forma de onda
longitudinal.
De este modo, el sonido presenta las mismas características que cualquier onda:
>>Amplitud: es la altura de la cresta de la onda sonora, a mayor amplitud mayor
energía.
>>Longitud de onda: se trata de la distancia entre dos zonas de compresión o de des-
compresión.
>>Frecuencia: número de vibraciones que ocurren en un segundo. El oído humano es
capaz de percibir sonidos comprendidos entre 20 Hzy 20 000 Hz. Las frecuencias
inferiores a 20 Hz (infrasonidos) y superiores a 20 000 Hz (ultrasonidos) no pueden
ser captadas por el oído humano.
>>Velocidad: distancia recorrida por la onda
sonora en la unidad de tiempo. En el aire es
de 340 m/s, aunque depende de la temperatura, presión y humedad del aire. En los líquidos la velocidad del sonido es mayor que
en el aire, y en los sólidos, mayor que en los
líquidos.
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Medio (20 ºC)
Velocidad (m/s)
Aire
340
Agua
1280
Madera
3900
Acero
5050
Vidrio
5200
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>>Periodo: tiempo empleado por una molécula para realizar una vibración.
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Intensidad de los sonidos
+ 120 produce sensación
de dolor
Ambiente
molesto
Ambiente
ruidoso
Ambiente
silencioso
180
Despegue de un avión a
reacción
150
Martillo neumático
130
Concierto de rock
120
Motocicleta con tubo de
escape
100
Aspiradora
90
Tráfico de ciudad
80
Conversación
60
Despacho tranquilo
50
Biblioteca
40
Conversación en voz baja
30
Hojas de árboles en
movimiento
20
Pisada
10
Silencio
0
Umbral de audición
Ambiente
poco ruidoso
Explosión de un artefacto
Umbral
tóxico
Exposición prolongada = estrés, problemas de sueño, falta
de descanso, hipertensión,
ansiedad, dolor de cabeza,
problemas digestivos, etc.
Ambiente
insoportable
120 = límite
del umbral del
dolor
Puede producir lesiones en el
oído
Tabla de decibelios
aproximados
>>Tono: depende de la frecuencia de la onda sonora. Los tonos agudos corresponden a
frecuencias grandes y los tonos graves a frecuencias bajas.
>>Timbre: a pesar de que dos fuentes distintas pueden emitir un sonido con el mis-
mo tono e intensidad, a menudo notamos que el sonido es distinto. Es lo que pasa
cuando diferentes instrumentos tocan la misma nota. Se debe a que en realidad los
sonidos no provienen de una única onda sonora, sino de la suma de varias ondas. Se
dice así que cada instrumento o fuente tiene un timbre que lo caracteriza.
7. Sonido y audición
Para entender por qué somos capaces de oír, debemos conocer el camino que sigue un sonido desde que se genera hasta que lo percibimos. El sonido, como sabes,
se produce debido a la vibración de algún cuerpo que se propaga en forma de onda
por algún medio material. En nuestro caso, se propaga por el aire hasta que alcanza
nuestro oído, que se divide en tres regiones claramente identificables:
>>Oído externo: formado por el pabellón auricular (oreja) y el conducto auditivo
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externo que termina en una membrana elástica llamada tímpano.
>>Oído medio: en su interior se aloja una cadena de huesecillos articulados entre sí:
martillo, yunque y estribo. Uno de los extremos del martillo se encuentra adherido
al tímpano, mientras el estribo está unido a las paredes de la ventana oval, orificio
que comunica con el oído interno. El oído medio se comunica también con la boca
mediante un conducto denominado trompa de Eustaquio.
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>>Oído interno o laberinto: contiene el caracol o cóclea, un tubo enrollado en espiral
lleno de líquido y tapizado de células nerviosas. En su interior la vibración captada
se traduce en señales nerviosas. En el oído interno también reside el sentido del
equilibrio.
Las ondas sonoras producidas por las vibraciones del aire son recogidas por la oreja,
que las conduce por el conducto auditivo hasta el tímpano. Cuando el tímpano comienza a vibrar, transmite esta vibración a la cadena de huesecillos (desde el martillo
hasta el estribo). El estribo transmite la vibración al líquido y a las células sensoriales
del interior del caracol agrupadas en el órgano de Corti. Se genera así un impulso
nervioso que viaja a través del nervio auditivo hasta el cerebro, donde la sensación es
interpretada como sonido.
Anatomía del oído
Ventana
Martillo
oval
Yunque
Estribo
Oreja
Conductos semicirculares
(equilibrio)
Aparato vestibular
Nervio vestibular
(equilibrio)
Nervio coclear
(audición)
Caracol
Ventana
redonda
Tímpano
Trompa de
Eustaquio
Vellosidades
Glándulas
ceruminosas
Cartílago
Conducto auditivo
externo
Oído externo
Oído medio
Oído interno
8. Contaminación acústica
Actualmente el nivel de ruido en los núcleos urbanos es cada vez mayor debido fundamentalmente a la presencia de vehículos a motor. Este aumento del ruido puede causar graves lesiones a nuestro oído. El peligro de un sonido depende tanto de su intensidad
como del tiempo de exposición.
¿Cuáles son los problemas de la contaminación acústica?
>>Trastornos fisiológicos: dolor de cabeza, taquicardia, agitación respiratoria, etc.
>>Trastornos psicológicos: insomnio, fatiga, estrés, irritabilidad, histeria, etc.
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La contaminación acústica se ocasiona por el ruido, que puede definirse como
cualquier sonido molesto o capaz de producir un daño en el oído humano bajo
determinadas circunstancias.
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>>Trastornos auditivos: mientras que los sonidos fuertes (explosiones, disparos, etc.)
pueden producir rotura del tímpano (trauma acústico), la exposición permanente
a sonidos intensos puede también producir lesiones que derivan en pérdida total o
parcial de la audición.
¿Cómo pueden solucionarse estos problemas?
Muchos sonidos dañinos no pueden eliminarse, así que en ocasiones es necesario
tomar algunas medidas preventivas o correctoras:
>>Uso de tapones y orejeras en zonas donde se produzcan sonidos fuertes (al usar mar-
tillos neumáticos, en pistas de aeropuertos, etc.).
>>Adecuación de viviendas con materiales aislantes del sonido.
>>Utilización de materiales que puedan absorber las ondas mecánicas, como las al-
fombras y las cortinas.
>>Instalación de barreras acústicas al pie de las autopistas para proteger los núcleos
urbanos.
>>Silenciadores en tubos de escape.
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En algunas carreteras se instalan barreras acústicas para aislar las viviendas del ruido del tráfico.
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