1 En esta clase estudiaremos la relación ente el sonido que... ocasionan.
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1 NOMBRE: NOTA: CURSO: 1º medio PUNTAJE: FECHA: VIBRACIONES Y SONIDO (PRIMERA PARTE) Introducción. En esta clase estudiaremos la relación ente el sonido que oyes y las vibraciones que lo ocasionan. ¿Cómo piensas tú que podemos diferenciar entre el sonido que emite un violín y el que emite una guitarra? Sin duda que los sonidos de estos instrumentos son diferentes, y esto se debe a que la onda que emite cada uno de ellos tiene características que nos permiten identificar su sonido como único y particular. Algunas de estas características son: la frecuencia de vibración, la amplitud, la longitud de onda, el periodo de la onda y la velocidad de propagación de la onda. Pregunta 1. Empecemos por nosotros. Cuando hablamos, cantamos o gritamos, ¿hay algo en nuestros cuerpos que vibre? Para averiguarlo realiza las sgtes. actividades. Actividades: escribe lo que sientes en tu mano luego de cada una de estas experiencias. 1. Coloca tu mano alrededor de tu cuello y luego habla. _____________________________________________________________________ 2. Coloca tu mano en tu cabeza y luego habla. _____________________________________________________________________ 3. Coloca tu mano en tu pecho y luego habla. _____________________________________________________________________ 4. Coloca tu mano en la espalda de un compañero o compañera y luego dile que hable. _____________________________________________________________________ ¿Cómo respondes ahora a la pregunta 1? _____________________________________________________________________ ______________________________________________________________ Observación: Posiblemente pensabas que al hablar solamente vibraban tus cuerdas vocales, pero en realidad vibra todo nuestro cuerpo. Evidentemente, algunas partes lo hacen más que otras. 2 Pregunta 2. Continuemos con una guitarra acústica. Cuando emite sus característicos sonidos, ¿qué parte(s) de ella crees vibra(n)? ________________________________________________________ Actividad 1 ¿Qué hechos verifican tu respuesta? ________________________________________________________ ________________________________________________________ Es claro que las cuerdas vibran, lo constatamos visualmente mirándolas o colocando la yema de nuestros dedos suavemente sobre ellas. Con la yema de los dedos también podemos darnos cuenta de que las maderas vibran al tocar sus diferentes partes. ¿Vibra el aire en el interior de la caja acústica de la guitarra? Actividad 2 Adhiere un trozo de papel, como se indica en la foto, de modo que parte de él quede justo en el orificio. Has que vibre la cuerda más gruesa de la guitarra y observa. ¿Cuál es tu conclusión? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 3 Sujeta con la yema de tus dedos una hoja de papel de cuaderno a unos 5 centímetros de tu boca. Habla, sin soplar, y señala lo que detectas con el tacto. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 4 Compara, desde el punto de vista de la emisión del sonido, a una persona con una guitarra. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Observación: Como has podido ver, son muchas las semejanzas. En ambos el sonido se origina en la vibración recuerdas y las superficies exteriores vibran al igual que el aire (del tórax y de la cavidad de la guitarra). 3 Pregunta 3. Veamos ahora el caso de una radio. Cuando la estás escuchando, ¿qué crees que vibra en ella? _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ Actividad Con la yema de tus dedos inspecciona sus diferentes partes cuando está sonando. ¿Qué concluyes? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Comentario: También vibra en todas partes, pero lo hace mucho más notoriamente su parlante. Pregunta 4. Veamos ahora el caso de una mesa. Si golpeas suavemente su superficie, por ejemplo, con un lápiz, ¿crees que algo vibra? Actividad 1 Coloca la yema de tus dedos a unos 10 cm del punto en que golpeas con el lápiz. ¿Sientes la vibración de la superficie de la mesa? ____________________________________________________ ____________________________________________________ Actividad 2 ¿Qué ocurrirá si, siempre tocando la mesa, alejas tus dedos del punto en que estás golpeándola con el lápiz? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 3 ¿Percibirás alguna vibración en las patas de la mesa, cerca del suelo? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 4 VIBRACIONES Y SONIDO (SEGUNDA PARTE) TONO E INTENSIDAD DEL SONIDO Pregunta 1. Empecemos por considerar la guitarra acústica nuevamente. Ella tiene varias cuerdas y, cuando está afinada, al hacerlas vibrar emiten sonidos diferentes. ¿En qué crees tú que se diferencian dichos sonidos? _________________________________ _________________________________ _________________________________ Actividad 1 Escoge una cuerda cualquiera y hazla vibrar. Primero con suavidad y después con mayor fuerza, de modo que en el primer caso la oscilación de la cuerda sea pequeña y mayor en el segundo. ¿Qué característica del sonido es diferente en cada caso? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 2 El clavijero de la guitarra se emplea para afinarla. ¿Qué cambia en las cuerdas al girar las clavijas? Mira bien cómo están colocadas las cuerdas. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 3 ¿Qué cambia en el sonido emitido por una cuerda al girar la clavija que le corresponde? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Observación: Cada cuerda de la guitarra vibra de un modo único cuando se la hace oscilar fija en sus extremos, es decir, sin emplear los puentes. Si la guitarra está bien afinada, cada cuerda producirá una nota musical, independiente de la energía con que se la pulse. Las distintas notas musicales son ejemplo de alturas o tonos diferentes. Al pulsar con mayor o menor fuerza una cuerda, el tono es el mismo, lo que cambia es la intensidad del sonido. 5 Pregunta 2. Veamos ahora los sonidos que produce una regla de plástico (o metal) que vibra apoyada en el borde de una mesa, como lo indica la figura siguiente. Apoyar firmemente aquí Amplit ud A Posició n de L equilibr io longitud (L) del extremo libre moviendo la regla. Diremos que la regla se encuentra en equilibrio cuando no está vibrando. Podemos hacerla oscilar con diferentes amplitudes (A), separando el extremo libre poco o mucho. También podemos modificar la A) ¿Qué característica del sonido cambia si haces oscilar el extremo libre con diferentes amplitudes? B) ¿Qué característica del sonido cambia si haces oscilar el extremo libre con L diferentes? A)___________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ B)___________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ En los experimentos siguientes deberás afirmar bien la regla sobre la mesa, de modo que oscile solamente su extremo libre. Además, debes poner atención al sonido que producirá la regla cuando oscile y no el sonido inicial que se produce debido a la acción de tus dedos. Actividad 1 Coloca la regla de modo que L sea de unos 20 cm y hazla oscilar primero con una amplitud de aproximadamente 1 cm, luego 2 cm, 3 cm y finalmente 4 cm. ¿En qué se diferencian los sonidos que oyes? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 2 Coloca la regla de modo que L sea ahora de unos 15 cm y hazla oscilar primero con una amplitud de aproximadamente 2 cm. ¿Cómo es el sonido que oyes con esta amplitud, comparado con el que escuchaste cuando oscilaba con un L de 20 cm? Repite la experiencia varias veces para que te asegures bien de las diferencias auditivas. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 3 Repite la actividad anterior de modo que L sea ahora de 10 cm, con una amplitud nuevamente de unos 2 cm. ¿Qué cambia en el sonido que oyes al cambiar L? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 6 ¿Qué cambia en el sonido que oyes al cambiar la amplitud A? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Observación: Lo que se modifica en el sonido producido por la regla al cambiar la longitud L es el tono o altura del sonido, es decir, la nota musical, en cambio, la modificación de la amplitud implica una diferencia en la intensidad del sonido. Hay sonidos agudos y sonidos graves. ¿En qué caso el sonido producido por la regla al oscilar fue más agudo y en cuál más grave? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Observación: Nuestros oídos no nos permiten detectar todos los tonos. Hay sonidos muy bajos y otros muy altos que no podemos escuchar. Por ejemplo, es posible que no hayas escuchado nada cuando L era de 20 cm. Actividad 4 Repite las actividades anteriores de modo que hagas oscilar el extremo de la regla con una amplitud inicial de unos 2 cm y procede a ir cambiando la longitud L. ¿Qué diferencias observas en el movimiento del extremo libre? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ De acuerdo con lo observado, ¿qué tipo de vibraciones producen sonidos graves y cuáles agudos? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ Actividad 5 Para el caso de la guitarra, ¿es válida tu conclusión? ¿Qué debes hacer en la guitarra para comprobar tu hipótesis? Descríbelo cuidadosamente. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ ¿Cómo son los movimientos de la cuerda más delgada comparados con los de la más gruesa? ¿Qué sucede en relación al tono (grave o agudo) de los sonidos que producen? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 7 VIBRACIONES Y SONIDO (TERCERA PARTE) RESONANCIA Cada estructura, tiene distintas FRECUENCIAS NATURALES. El valor depende de la geometría, peso, distancia entre apoyos, rigidez... La FRECUENCIA DE EXCITACIÓN es la frecuencia a la que se aplica la fuerza: por ejemplo el viento. RESONANCIA se le llama al momento en que la FRECUENCIA NATURAL y la FRECUENCIA DE EXCITACION se igualan. Y es el momento en el que se producen las vibraciones de mayor amplitud. Supongamos que hacemos vibrar una cuerda de una guitarra. Cerca de esta guitarra se encuentra otra de similares características. ¿Crees que comience a vibrar alguna de las cuerdas de la segunda guitarra sin que exista contacto entre ellas? I. Una vez que hayas escrito tu respuesta, ve el video de resonancia del sonido. Observa cómo a una cuerda amarran péndulos a la misma distancia, teniendo cada uno de ellos diferente largo. Observa cuando hacen oscilar uno de los péndulos. Responde las siguientes preguntas relacionadas con el contenido del video que acabas de ver. 1. Al hacer oscilar uno de los péndulos, ¿qué ocurre con los demás péndulos unidos a la misma cuerda? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 2. ¿Por qué ocurre este fenómeno? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 3. ¿Qué es la resonancia? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 4. ¿Es posible que un cantante de ópera sea capaz de romper una copa de cristal? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5. Busca ejemplos de otro fenómeno cuya explicación sea la resonancia de vibración de una onda. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ El fenómeno de la resonancia, que tú has experimentado en múltiples ocasiones, consiste en la transmisión de una vibración desde un objeto a otro sin que estén en contacto. En función de lo anterior, analiza. 8 1. Observa el video de resonancia del sonido y explica. ¿Qué ocurrió? ¿Por qué ocurrió? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 2. ¿Qué condiciones deberá tener un objeto para que vibre al igual que lo hace el objeto que realiza la vibración inicial? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ VIBRACIONES Y SONIDO (CUARTA PARTE) EFECTO DOPPLER El Efecto Doppler consiste en la variación aparente de la frecuencia de un sonido por parte de su receptor. 1. Imagina que por la calle del lugar donde te encuentras pasa una ambulancia haciendo sonar su sirena. ¿Cómo se siente el sonido de esta sirena a medida que se acerca a tu posición? ¿Por qué? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 2. ¿Cómo se siente el sonido de la sirena de la ambulancia a medida que se aleja de tu posición? ¿Por qué? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 3. Investiga más acerca del efecto Doppler y luego intenta definirlo utilizando tus palabras. _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 9 VIBRACIONES Y SONIDO (QUINTA PARTE) ECO – ABSORCIÓN – REFLEXIÓN Otros fenómenos ocurren con las ondas acústicas, como por ejemplo el eco. Investiga los siguientes fenómenos relacionados con el sonido: 1. ¿Cómo se transmite el sonido? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 2. Imaginemos que viajamos al espacio en una nave espacial que sufre un desperfecto y perdemos la atmosfera de aire que nos rodea, sin embargo contamos con oxígeno disponible en botellas para no morir. Nos encontramos en el espacio, esperando nuestro rescate. Bajo estas condiciones, ¿podremos percibir algún sonido? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 3. ¿Qué es la absorción del sonido? ¿En qué ocasiones es fundamental que exista esta propiedad? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 4. ¿Qué es la reflexión del sonido? ¿Dónde podemos ver la reflexión del sonido? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 5. ¿Qué es el eco? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 6. ¿Existe otra forma de reflexión del sonido? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 10 VIBRACIONES Y SONIDO (SEXTA PARTE) APLICACIÓN DE CONCEPTOS 1. Cuando un timbre se coloca dentro de una campana conectada a una bomba de vacío y se remueve el aire, no se escucha sonido alguno. Explique. 2. En el siglo pasado la gente ponía su oído sobre los rieles del ferrocarril para saber si venía algún tren. ¿Por qué era un buen método? 3. Cuando se cronometra una carrera de 100 m, los jueces tienen la instrucción de accionar sus cronómetros cuando vean el humo y no cuando escuchen el sonido. Explique. ¿Qué pasaría con los tiempos cronometrados si se tomaran cuando se oye el disparo? 4. Las ondas sonoras con frecuencias mayores a las que puede ser detectadas por los humanos, llamadas ultrasonidos, pueden transmitirse a través del cuerpo humano, ¿Cómo podría usarse el ultrasonido para medir la velocidad del flujo de sangre en las venas o en las arterias? 5. ¿Cómo puede el sonido de una nota emitida por un cantante de ópera causar la rotura o el vencimiento de un vaso de cristal? 6. En la milicia, cuando los soldados se aproximan marchando a un puente, se les ordena romper la marcha, es decir cada soldado puede caminar sin seguir el ritmo que traían. ¿Por qué? 7. ¿Cómo debe ser la longitud de un tubo abierto comparado con la longitud de onda del sonido para producir la resonancia más fuerte? 8. ¿Qué propiedad diferencia la nota tocada en una trompeta y en un clarinete si ambas tienen el mismo tono y volumen? 9. Las señales de radio de AM tienen longitudes de onda entre 600 m y los 200 m, mientras que las señales de FM las tienen alrededor de los 3 m. Explique por qué las señales de AM se pueden oír usualmente detrás de las colinas y no las de FM. 10.Un método común que se emplea para conocer la distancia que cayó un rayo, es contar el tiempo que transcurre entre el relámpago y el estruendo del trueno, y dividir por tres. El resultado proporciona la distancia en kilómetros. Explique por qué funciona está regla. 11.La velocidad del sonido se incrementa cuando la temperatura del aire se incrementa. Para un sonido dado, cuando la temperatura se incrementa, ¿qué sucede con: a. la frecuencia? b. La longitud de onda? 12.En una película de ciencia ficción, cuando una nave explota, las vibraciones del sonido casi destruyen la nave espacial cercana. Si usted fuera consultor científico en la película, ¿qué le aconsejaría al productor? 13.Suponga que todas las bocinas de los autos emitieran sonidos con la misma frecuencia. ¿Cómo sería la frecuencia de la bocina de un auto cuando se mueve: a. aproximándose hacia Ud? b. Alejándose de Ud? 14.Un murciélago emite pulsaciones cortas de sonidos de alta frecuencia y detecta los ecos que se producen. a. ¿De qué manera se compararían los ecos producidos por insectos a la misma distancia pero de tamaños diferentes? b. ¿De qué manera se diferenciaría un eco de un insecto que vuela hacia el murciélago de otro que se aleja? 11 c. La velocidad del sonido se incrementa con la temperatura. ¿La frecuencia en un tubo cerrado se incrementará o disminuirá cuando sube la temperatura? Suponga que la longitud del tubo no cambia. d. Dos flautas están afinadas. ¿Si el director escucha que la frecuencia de las pulsaciones aumenta, las frecuencias de las flautas se estarán aproximando o separando más? e. Un tubo de órgano cerrado genera cierta nota. Si se destapa el tubo para transformarlo en un tubo abierto, ¿se incrementa o disminuye el tono? 15.¿De qué factores depende la velocidad de propagación del sonido? 16.¿Cómo influye la temperatura en la velocidad del sonido? 17.¿Cómo se produce una onda sonora? 18.¿A qué se debe que el sonido se propague más rápido en los sólidos que en los líquidos y en los gases? 19.¿Bajo qué frecuencia comienza el infrasonido? 20.¿Entre qué frecuencias está el sonido audible para el ser humano? 21.¿Sobre qué frecuencia comienza el ultrasonido? 22.Mencione una aplicación en infrasonido. 23.Mencione dos aplicaciones en ultrasonido. 24.Mencione algún animal que use algunas de estas frecuencias. VIBRACIONES Y SONIDO (SÉPTIMA PARTE) EJERCICIOS 1. El período de una onda mecánica es 0,8 s y su longitud de onda es 2,5 m ¿Cuál es la velocidad de propagación de la onda?. 2. La onda sonora producida por un instrumento musical se propaga por el aire con una velocidad de 335 m/s. Si el tono más bajo que produce es de 16 vibraciones por segundo. ¿Cuál es la longitud de onda del sonido? 3. Una máquina de ultrasonido utilizada en kinesiterapia funciona con una frecuencia de 58 MHz. (megahertz). Si la velocidad de propagación del sonido en el cuerpo humano es de 1,6 Km/s. ¿Cuál es la longitud de onda?. 4. Durante una tempestad se escucha un trueno 5 s después de haber observado el relámpago. ¿A qué distancia del observador cayó el relámpago?. 5. Durante una tempestad un observador se encuentra a 1200 m del lugar donde cayó un relámpago. ¿Cuánto tiempo después el observador escuchará el trueno?. 6. Una señal de sonar en el agua posee una frecuencia de 1,00 x 10 6 Hz y una longitud de onda de 1,50 mm. a. ¿Cuál es la velocidad de la señal en el agua? (1,50 x 103 m/s.) b. ¿Cuál es su período? (1,00 x 10-6 s.) c. ¿Cuál es su período en el aire? (1,00 x 10-6 s.) 7. La rapidez del sonido en al agua es de 1498 m/s. Se envía una señal se sonar desde un barco a un punto que se encuentra debajo de la superficie del agua. 1,80 segundos más tarde se detecta la señal reflejada. ¿Qué profundidad tiene el océano por debajo de donde se encuentra el barco? (1350 m.) 8. La velocidad de las ondas transversales producidas por un terremoto es de 8,9 km/s, mientras que las de las ondas longitudinales es de 5,1 km/s. Un sismógrafo reporta la llegada de las ondas transversales 73 s antes que las de las longitudinales. ¿A qué distancia se produjo el terremoto? (8,7 x 102 km.) 12 9. La velocidad de una onda en una cuerda depende de la tensión aplicada a la cuerda, y de la masa por unidad de longitud de la cuerda misma. Si T es la fuerza que se ejerce sobre la cuerda, y µ es la masa / unidad de longitud, entonces la velocidad v está dada por: V T Una cuerda de 5,30 m de largo tiene una masa 15,0 g. ¿Cuál debe ser la fuerza sobre la cuerda para la producción de ondas con frecuencia de 125 Hz y longitudes de onda de 120,0 cm? (63,7 N.) 10. La rapidez de una onda en una cuerda de guitarra es de 265 m/s y su longitud de 63 cm. Se pulsa la cuerda en el centro levantándola un poco y luego soltándola. Los pulsos se mueven en ambas direcciones y se reflejan en los extremos de la cuerda. a. ¿Cuánto tiempo le toma a los pulsos moverse hasta los extremos y regresar al centro? (2,4 x 10-3 s.) b. Cuando los pulsos regresan, ¿está la cuerda por encima o por debajo de su posición de reposo? Justifique (Abajo.) c. Si se pulsa la cuerda a 15 cm de uno de los extremos, ¿dónde se encontrarán los dos pulsos? (15 cm desde el otro extremo.) 11. Bosqueje qué sucede para cada uno de los cuatro casos mostrados en la figura, cuando los centros de los dos pulsos están sobre la línea punteada, de tal manera que los pulsos se encuentren totalmente superpuestos. (a.Se dobla la amplitud; b.Se cancela la amplitud; c.½ debajo.) amplitud por encima; d.½ amplitud por 12. Andrés escucha el sonido del disparo de un cañón 6,00 s luego de ver el destello. ¿A qué distancia se encuentra Andrés del cañón? 2,06 x 103 m 13. Se dispara un rifle en un valle formado por muros verticales. El eco producido por un muro se escucha 2,0 s luego del disparo. El eco del otro muro se oye 2,0 s luego del primer eco. ¿Qué anchura tiene el valle? (1,02 x 103 m) 14. Si Karen aplaude y escucha el eco producido por una pared 0,20 s después, ¿a qué distancia está la pared? (34 m) 15. Si Karen grita en un cañón y escucha el eco 4,0 s después, ¿qué ancho tiene el cañón? (686 m) 16. Una cámara fotográfica determina la distancia a la cual se encuentra el sujeto, enviando una onda de sonido y midiendo el tiempo que toma el eco en regresar a la cámara. ¿Qué tiempo toma una onda de sonido para regresar a la cámara si hay un sujeto a 3,0 m? (0,0175 s) 17. Carolina deja caer una piedra en un foso de una mina que tiene una profundidad de 122,5 m. ¿Cuánto tiempo pasa a partir de haber soltado la piedra para que se escuche el golpe en el fondo? (5,36 s) 18. El sonido emitido por los murciélagos tiene una longitud de onda de 3,5 mm, ¿Cuál es su frecuencia en el aire? (9,8 x 104 Hz) 13 19. Se puede emplear ultrasonido de frecuencia 4,25 MHz para producir imágenes del cuerpo humano. Si la velocidad del sonido en el cuerpo es la misma que en el agua salada, 1,50 km/s. ¿cuál es la longitud de onda? (3,53 x 10-4 m) 20. La radio Cooperativa transmite en los 93.3 MHz de la frecuencia modulada, entonces ¿cuál es su longitud de onda? 21. Una radioemisora transmite en la “banda” de 75 metros, entonces su frecuencia es (en Hz): Prefijo M (mega) k (kilo) c (centi) m (mili) n (nano) Valor 6 10 103 102 103 109 http://www.youtube.com/user/vonnegg#p/f/5/iKsoR6ze5Eg http://www.youtube.com/user/vonnegg#p/f/7/cJpJSSNtVxY http://www.youtube.com/user/vonnegg#p/f/13/UEBNJqUW5Ok http://www.youtube.com/watch?v=Vd2bDBfkAzs http://www.youtube.com/watch?v=TuElTp4GmbY http://www.youtube.com/watch?v=tUsRDNf3zsE&feature=related Ejemplo 3 MHz = 3.000.000 Hz 7 km = 7.000 m 56 cm = 0,56 m 25 mm = 0,025 m 500000 nm = 0,0005 m