Una onda de sonido es una onda mecánica longitudinal de cierta frecuencia. En el artículo entenderemos qué son las ondas longitudinales y transversales, por qué no toda onda mecánica es sonido. Averigüe la velocidad de la onda y las frecuencias a las que se produce el sonido. Averigüemos si el sonido es el mismo en diferentes entornos y aprendamos cómo encontrar su velocidad usando la fórmula.
Aparece una ola
Imaginemos una superficie de agua, por ejemplo, un estanque en un clima tranquilo. Si arrojas una piedra, en la superficie del agua veremos círculos que divergen del centro. ¿Y qué sucederá si no tomamos una piedra, sino una pelota y la ponemos en movimiento oscilatorio? Los círculos serán generados constantemente por las vibraciones de la pelota. Veremos aproximadamente lo mismo que se muestra en la animación por computadora.
Si bajamos el flotador a cierta distancia de la bola, ésta también oscilará. Cuando las fluctuaciones divergen en el espacio a lo largo del tiempo, este proceso se denomina onda.
Para estudiar las propiedades del sonido (longitud de onda, velocidad de onda, etc.), es adecuado el famoso juguete Rainbow, o Happy Rainbow.
Estiremos el resorte, dejemos que se calme y sacúdalo hacia arriba y hacia abajo bruscamente. Veremos que apareció una ola, que corrió a lo largo del manantial y luego regresó. Esto significa que se refleja desde el obstáculo. Observamos cómo la onda se propagaba a lo largo del resorte a lo largo del tiempo. Las partículas del resorte se movieron hacia arriba y hacia abajo en relación con su equilibrio, y la onda corrió de izquierda a derecha. Tal onda se llama onda transversal. En él, la dirección de su propagación es perpendicular a la dirección de oscilación de las partículas. En nuestro caso, el medio de propagación de la onda fue un resorte.
Ahora estiremos el resorte, dejemos que se calme y tire hacia adelante y hacia atrás. Veremos que las espiras del resorte se comprimen a lo largo de él. La onda corre en la misma dirección. En un lugar el resorte está más comprimido, en otro está más estirado. Tal onda se llama longitudinal. La dirección de oscilación de sus partículas coincide con la dirección de propagación.
Imaginemos un medio denso, por ejemplo, un cuerpo rígido. Si lo deformamos por cizallamiento, surgirá una onda. Aparecerá debido a las fuerzas elásticas que actúan solo en los sólidos. Estas fuerzas cumplen la función de restaurar y generar una onda elástica.
No se puede deformar un líquido por corte. Una onda transversal no puede propagarse en gases y líquidos. Otra cosa es longitudinal: se propaga en todos los ambientes donde actúan fuerzas elásticas. En una onda longitudinal, las partículas se acercan unas a otras, luego se alejan y el propio medio se comprime y enrarece.
Mucha gente piensa que los líquidosincompresible, pero este no es el caso. Si presiona el émbolo de la jeringa con agua, se encogerá un poco. En los gases, también es posible la deformación por tracción-compresión. Presionar el émbolo de una jeringa vacía comprime el aire.
Velocidad y longitud de onda
Volvamos a la animación que consideramos al principio del artículo. Elegimos un punto arbitrario en uno de los círculos que divergen de la bola condicional y lo seguimos. El punto se aleja del centro. La velocidad a la que se mueve es la velocidad de la cresta de la ola. Podemos concluir: una de las características de la onda es la velocidad de la onda.
La animación muestra que las crestas de la ola se encuentran a la misma distancia. Esta es la longitud de onda, otra de sus características. Cuanto más frecuentes son las olas, más corta es su longitud.
¿Por qué no todas las ondas mecánicas son sonido?
Toma una regla de aluminio.
Es hinchable, así que es bueno para la experiencia. Ponemos la regla en el borde de la mesa y la presionamos con la mano para que sobresalga con fuerza. Presionamos su borde y lo soltamos bruscamente: la parte libre comenzará a vibrar, pero no habrá sonido. Si extiende la regla un poco, la vibración del borde corto creará un sonido.
¿Qué muestra esta experiencia? Demuestra que el sonido solo ocurre cuando un cuerpo se mueve lo suficientemente rápido cuando la velocidad de la onda en el medio es alta. Introduzcamos una característica más de la onda: la frecuencia. Este valor muestra cuántas vibraciones por segundo hace el cuerpo. Cuando creamos una onda en el aire, el sonido se produce bajo ciertas condiciones, cuando es suficiente alta frecuencia.
Es importante entender que el sonido no es una onda, aunque está relacionado con las ondas mecánicas. El sonido es la sensación que se produce cuando las ondas sonoras (acústicas) entran en el oído.
Volvamos a la regla. Cuando se extiende la parte más grande, la regla oscila y no emite ningún sonido. ¿Esto crea una ola? Claro, pero es una onda mecánica, no una onda de sonido. Ahora podemos definir una onda de sonido. Esta es una onda longitudinal mecánica, cuya frecuencia está en el rango de 20 Hz a 20 mil Hz. Si la frecuencia es inferior a 20 Hz o superior a 20 kHz, entonces no la oiremos, aunque se producirán vibraciones.
Fuente de sonido
Cualquier cuerpo oscilante puede ser fuente de ondas acústicas, solo necesita un medio elástico, por ejemplo, el aire. No solo un cuerpo sólido puede vibrar, sino también un líquido y un gas. El aire, como mezcla de varios gases, no solo puede ser un medio de propagación, sino que también es capaz de generar una onda acústica. Son sus vibraciones las que subyacen al sonido de los instrumentos de viento. La flauta o trompeta no vibra. Es el aire que se enrarece y comprime, da cierta velocidad a la onda, como resultado de lo cual escuchamos el sonido.
Difundir el sonido en diferentes entornos
Descubrimos que suenan diferentes sustancias: líquidas, sólidas, gaseosas. Lo mismo ocurre con la capacidad de conducir una onda acústica. El sonido se propaga en cualquier medio elástico (líquido, sólido, gaseoso), excepto en el vacío. En un espacio vacío, digamos en la luna, no oiremos el sonido de un cuerpo vibrando.
La mayoría de los sonidos percibidos por los humanos se transmiten por el aire. Peces, medusas escuchan una onda acústica divergiendo a través del agua. Nosotros, si nos sumergimos bajo el agua, también oiremos el ruido de una lancha a motor que pasa. Además, la longitud de onda y la velocidad de onda serán mayores que en el aire. Esto significa que el sonido del motor será el primero en ser escuchado por una persona que se sumerge bajo el agua. El pescador, que está sentado en su bote en el mismo lugar, escuchará el ruido más tarde.
En sólidos, el sonido viaja aún mejor y la velocidad de onda es mayor. Si coloca un objeto duro, especialmente de metal, en su oído y lo golpea, escuchará muy bien. Otro ejemplo es su propia voz. Cuando escuchamos por primera vez nuestro discurso, previamente grabado en una grabadora de voz o de un video, la voz parece ajena. ¿Por qué está pasando esto? Porque en la vida escuchamos no tanto vibraciones sonoras de nuestra boca como vibraciones de ondas que atraviesan los huesos de nuestro cráneo. El sonido reflejado por estos obstáculos cambia un poco.
Velocidad del sonido
La velocidad de una onda de sonido, si consideramos el mismo sonido, será diferente en diferentes ambientes. Cuanto más denso es el medio, más rápido llega el sonido a nuestro oído. El tren puede alejarse tanto de nosotros que aún no se escuchará el sonido de las ruedas. Sin embargo, si pones tu oído en los rieles, podemos escuchar claramente el estruendo.
Esto sugiere que las ondas de sonido viajan más rápido en los sólidos que en el aire. La figura muestra la velocidad del sonido en diferentes entornos.
Ecuación de onda
La velocidad, la frecuencia y la longitud de onda están interconectadas. Para cuerpos que vibran a alta frecuencia, la onda es más corta. Los sonidos de baja frecuencia se pueden escuchar a mayor distancia porque tienen una longitud de onda más larga. Hay dos ecuaciones de onda. Ilustran la interdependencia de las características de las olas entre sí. Conociendo dos cantidades cualesquiera de las ecuaciones, puedes calcular la tercera:
с=ν × λ, donde c es la velocidad, ν es la frecuencia, λ es la longitud de onda.
Ecuación de la segunda onda acústica:
s=λ / T, donde T es el período, es decir, el tiempo durante el cual el cuerpo realiza una oscilación.
