Física 2ºBAC Tema 2: Vibraciones y ondas

Si bien el currículo de 2º de bachillerato sólo contempla la parte correspondiente a ondas, el hecho de que en Canarias la Física y Química de 1º de Bachillerato haya quedado reducida a tres horas, a diferencia de lo que sucede en la mayor parte  del estado español donde se mantienen las cuatro horas de clase, dificulta la impartición del MAS en dicho curso. Por tal motivo, a modo de introducción necesaria, se ha optado por mantener la estructura del bloque como correspondía al antiguo bachillerato LOE.

Aclaración: los fenómenos ondulatorios a estudiar en este tema son la difracción, las interferencias y el efecto Doppler. La reflexión y la refracción se estudiarán con detalle en el bloque de óptica si bien comentaremos la reflexión para referirnos a las aplicaciones tecnológicas de las ondas sonoras.

Un cuerpo, o una partícula de éste, describe un movimiento periódico cuando las variables posición, velocidad y aceleración de su movimiento toman los mismos valores después de un intervalo de tiempo denominado periodo.

Una partícula describe un movimiento vibratorio u oscilatorio cuando se desplaza sucesivamente a un lado ya otro de su posición de equilibrio repitiendo, a intervalos regulares de tiempo, sus variables cinemáticas.

Ciando las oscilaciones son muy rápidas se denominan vibraciones.

Introducción al Movimiento Armónico Simple (MAS)

El movimiento oscilatorio de un cuerpo sobre una trayectoria recta es armónico simple cuando está sometido a la acción de una fuerza recuperadora proporcional al vector de posición y de sentido contrario.

Relación entre el MCU y el MAS

El MAS se puede considerar como la proyección, sobre un diámetro, de un MCU.

Tema interactivo sobre ondas

Ondas

Ondas mecánicas: necesitan de un medio material para propagarse.Pueden ser transversales o longitudinales.

Ondas Transversales: las partículas del medio vibran en forma perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Fuente: https://sites.google.com/site/physicsdecha/home/chnid-khxng-khlun

Ondas longitudinales: las partículas del medio vibran en forma paralela a la dirección de propagación de la onda.

Fuente: https://sites.google.com/site/physicsdecha/home/chnid-khxng-khlun

Parámetros de una onda

Longitud de onda: distancia mínima entre dos puntos que oscilan en fase. Se mide en metros.

Fuente: https://www.docsity.com/en/news/physics/physics-sound-visual-representation-gifs/   Image Courtesy: isvr.soton.ac.uk/span>

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Fenómenos ondulatorios: Difracción 

Desviación en la propagación rectilínea de las ondas, cuando atraviesan una abertura o pasan próximas a un obstáculo, de tamaño igual o inferior a su longitud de onda.

Principio de Huygens: todo punto de un frente de ondas se convierte en un centro puntual productor de ondas elementales secundarias, de igual frecuencia y velocidad que la onda inicial, cuya superficie envolvente constituye el nuevo frente de onda.

Fenómenos ondulatorios: Interferencias

Es la superposición de dos o más movimientos ondulatorios en un punto del medio.

Fenómenos ondulatorios: Efecto Doppler

El efecto Doppler consiste en el cambio que experimenta la frecuencia con que percibimos un movimiento ondulatorio respecto de la frecuencia con la que ha sido originado, a causa del movimiento relativo entre la fuente y el receptor.

Fuente: https://www.docsity.com/en/news/physics/physics-sound-visual-representation-gifs/ Image Courtesy: einstein-online.info

Cuestiones y problemas

Ondas sonoras

Las ondas sonoras son el ejemplo más importante de ondas longitudinales, consisten en sucesivas compresiones y dilataciones del medio de propagación, producidas por un foco con movimiento vibratorio. Si la vibración llega a nuestro oído, provoca en el tímpano vibraciones que son transmitidas al oído interno y, de allí, al cerebro, produciendo una sensación que llamamos sonido.

Ondas sonoras y sonido

Ondas en la cuerda de una guitarra

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Velocidad del sonido

La velocidad a la que se propaga el sonido no depende de su intensidad o cualidades, sino únicamente de las propiedades del medio.

La velocidad de propagación de lo que llamamos «perturbación» por los medios materiales, sólidos, líquidos o gases, dependerá de la proximidad de las partículas del medio y de sus fuerzas de cohesión. Así, la velocidad de propagación será mucho mayor en los sólidos (con las partículas muy próximas y fuertemente ligadas) que en los líquidos, y sobre todo, que en los gases (con la partículas mucho más alejadas y muy débiles fuerzas ente ellas en movimiento caótico y desordenado).

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Intensidad sonora y fuentes de contaminación acústica

La intensidad de un sonido (I)  es la energía que transmite la onda sonora por unidad de tiempo a través de la unidad de superficie perpendicular a la dirección de propagación de la onda. 

La intensidad mínima que puede detectar el oído humano es de I0 = 10-12 W/m2 y la máxima (umbral del dolor) es del orden de 1 W/m2. Debido a la extensión de este intervalo de audibilidad,  en el que la relación entre la intensidad del sonido más intenso (cuando la sensación de sonido pasa a ser de dolor auditivo) y la del sonido más débil es de alrededor de un billón,  para expresar intensidades sonoras se emplea una escala comprimida (logarítmica) conocida como nivel de intensidad sonora, cuya unidad es el decibelio (dB).  

La escala decibélica establece la relación entre la intensidad sonora o sonoridad (β) y la intensidad del sonido (I) mediante la expresión:

En esta escala el intervalo de niveles de intensidad sonora para el oído humano es de 0 dB a 120 dB.

La escala de sensación sonora es logarítmica, lo que significa que un aumento de 10 dB corresponde a una intensidad 10 veces mayor por ejemplo, el ruido de las olas en la costa es 1.000 veces más intenso que un susurro, lo que equivale a un aumento de 30 dB.

Contaminación acústica: producción de sonidos y ruidos excesivos.

Los órganos internacionales en materia acústica recomiendan que el sonido ambiental no supere los 55 dB de día y 35 dB de noche. Se considera que hay contaminación sonora cuando el sonido supera los 70 dB durante prolongados intervalos de tiempo.

La exposición prolongada a niveles de alta sonoridad puede acarrear problemas auditivos (pérdida irreversible de la capacidad auditiva), irritabilidad, falta de concentración, estrés, fatiga, alteraciones del ritmo respiratorio, problemas digestivos…

Aplicaciones de los ultrasonidos

Sonar: ES un instrumento que utilizan los barcos para detectar la profundidad a la que se encuentra el fondo marino o algún objeto que esté debajo de la superficie del agua. Emite ultrasonidos que se reflejan en el fondo o en el obstáculo (irregularidades del fondo, submarinos, bancos de peces) . Por el tiempo que tarda en captar el eco se puede determinar la distancia que separa el sonar (el barco) del obstáculo que lo produce. Se utiliza en estudios oceanográficos (fondo marino), barcos de pesca (bancos de peces), militar (detección de submarinos), estudio geológico del suelo (encontrar petróleo).

Radar: Similar al sonar pero utiliza ondas electromagnéticas (microondas). Ambos permiten determinar la posición de los objetos, su trayectoria y su velocidad. El radar tiene uso militar, en la navegación aérea y marítima y en el tráfico terrestre.

Ecografía: Consiste en registrar los ecos ultrasónicos producidos por los distintos órganos corporales. Se hace incidir los ultrasonidos en una zona concreta del cuerpo y a medida que penetran en él son reflejados en aquellos puntos en los que cambia la densidad del cuerpo (zona que separa dos órganos). Los ultrasonidos reflejados se recogen en un aparato electrónico que analiza la posición de los tejidos , visualizándolos en un monitor en forma de puntos de diferente brillantez. La imagen obtenida puede ser estática, o si se reproducen tomas sucesivas puede simular el movimiento del interior del cuerpo. Ej :el seguimiento de los embarazos. Se pueden visualizar múltiples zonas internas sin producir ningún daño, lo que no ocurre con los rayos X.

La ecografía es útil en el estudio de la cavidad abdominal, el hígado, el bazo , el páncreas, los riñones, el útero, los vasos sanguíneos…Adquirió popularidad la ecografía del feto, que permitía conocer el sexo del futuro niño o niña, pero su interés fundamental radica en que con ellas se puede detectar precozmente enfermedades o anomalías del feto.

Litotricia: consiste en utilizar ultrasonidos de alta energía pero corta duración (ondas de choque) para fragmentar cálculos renales y biliares, evitando intervención quirúrgica. También se utiliza para acelerar la recuperación de lesiones traumáticas ya que aumentan la vascularización de la zona inflamada facilitando su curación.

Industria: Su elevada frecuencia permite que se unan pequeñas partículas. Los ultrasonidos se utilizan para precipitar partículas sólidas en humos y aerosoles, para separar la grasa en el agua, para reducir la espuma en el envasado de bebidas a alta velocidad. También permite ayudar a determinar si una pieza tiene defectos de fabricación (grietas internas, poros…)

Estándares de aprendizaje específicos del tema:

  • 44 Determina la velocidad de propagación de una onda y la de vibración de las partículas que la forman, interpretando ambos resultados.
  • 45 Explica las diferencias entre ondas longitudinales y transversales a partir de la orientación relativa de la oscilación y de la propagación.
  • 46 Reconoce ejemplos de ondas mecánicas en la vida cotidiana.
  • 47 Obtiene las magnitudes características de una onda a partir de su expresión matemática.
  • 48 Escribe e interpreta la expresión matemática de una onda armónica transversal dadas sus magnitudes características.
  • 49 Dada la expresión matemática de una onda, justifica la doble periodicidad con respecto a la posición y el tiempo.
  • 50 Relaciona la energía mecánica de una onda con su amplitud.
  • 51 Calcula la intensidad de una onda a cierta distancia del foco emisor, empleando la ecuación que relaciona ambas magnitudes.
  • 52 Explica la propagación de las ondas utilizando el Principio Huygens.
  • 53 Interpreta los fenómenos de interferencia y la difracción a partir del Principio de Huygens.
  • 54 Experimenta y justifica, aplicando la ley de Snell, el comportamiento de la luz al cambiar de medio, conocidos los índices de refracción.(tema 3 óptica)
  • 55 Obtiene el coeficiente de refracción de un medio a partir del ángulo formado por la onda reflejada y refractada.Reconoce situaciones cotidianas en las que se produce el efecto Doppler justificándolas de forma cualitativa.(tema 3 óptica)
  • 56 Considera el fenómeno de reflexión total como el principio físico subyacente a la propagación de la luz en las fibras ópticas y su relevancia en las telecomunicaciones.(tema 3 óptica)
  • 58 Identifica la relación logarítmica entre el nivel de intensidad sonora en decibelios y la intensidad del sonido, aplicándola a casos sencillos.
  • Relaciona la velocidad de propagación del sonido con las características del medio en el que se propaga.
  • 60 Analiza la intensidad de las fuentes de sonido de la vida cotidiana y las clasifica como contaminantes y no contaminantes.
  • Conoce y explica algunas aplicaciones tecnológicas de las ondas sonoras, como las ecografías, radares, sonar, etc.
  • 69 Relaciona la energía de una onda electromagnética. con su frecuencia, longitud de onda y la velocidad de la luz en el vacío.(tema 3 óptica)
  • 70 Reconoce aplicaciones tecnológicas de diferentes tipos de radiaciones, principalmente infrarroja, ultravioleta y microondas.(tema 3 óptica)

Webgrafía

FISICANET: http://www.fisicanet.com.ar/fisica/sonido/ap03_sonido.php

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