Optica sonido fisica moderna – [PDF Document]

  • 1. PRESENTACIN La Fsica es una ciencia que busca explicar elentorno que nos rodea. Para ello se vale de la observacin y de laexperimentacin, con el fin de establecer leyes, principios y teorasque den cuenta del mundo en el que vivimos. Es una ciencia enconstante cons- truccin, cuyo desarrollo ha sido posible gracias avarios factores, como el surgimien- to del pensamiento cientfico,los cambios sociales y culturales que ha experimentado el mundo.Gracias a los logros de la Fsica, hoy en da podemos ser testigos delos incontables avances tecnolgicos. reas como la computacin, lastelecomunicaciones, la aeronu- tica, la medicina, entre muchasotras, deben su importante desarrollo a esta ciencia. Esperamos queal recorrer las pginas de este texto comprendas que fenmenos na-turales, como el sonido y la luz pueden ser explicados a travs deprincipios y leyes, y que la ciencia es un prisma a travs del quepodemos ver y entender nuestro entorno. Es importante quereconozcas el enorme vnculo que existe entre las distintas disci-plinas cientficas y cmo se nutren unas de otras. Es por ello quedebes considerar que el conocimiento cientfico no surge de formaaislada, sino que es un proceso transver- sal al ser humano y que,de una u otra forma, todos somos parte de l. CREDITO FISICA 1 TEXTO6/7/10 09:05 Pgina 3

2. 4 | Organizacin del texto ORGANIZACIN DEL TEXTO El Texto deFsica 1 se organiza en 5 unidades. A continuacin se describen lascaractersticas principales de los tipos de pginas que encontrars eneste libro. 1. INICIO DE UNIDAD Doble pgina inicial, en la que sepresentan una serie de imgenes representativas de los temas que setratarn en la unidad. Introduccin Texto que hace una breve intro-duccin narrativa de los contenidos a tratar en la unidad. Aprendersa Listado con los aprendizajes esperados de la unidad. Actividadinicial Actividad que se propone a partir de una serie de preguntasde asociacin con las imgenes representativas de la unidad. 2.EVALUACIN DIAGNSTICA Evaluacin diagnstica Evaluacin inicialdestinada a medir los conocimientos pre- vios necesarios paraabordar la unidad, incluye un recuadro denominado lo que me gustarasaber, destinado a plantear preguntas factibles de ser respondidasen la unidad. 3. DESARROLLO DEL CONTENIDO Indagacin Actividadexploratoria cuya finalidad es dar inicio a los contenidos mediantela formulacin de preguntas y planteamiento de hiptesis. Conceptoclave Significado de conceptos o palabras citadas en el texto ycuya definicin facilite la lectura comprensiva. Ten presente queActividad destinada a trabajar conceptos que puedan tener unainterpretacin errnea. Actividad Destinada a trabajar habilidades ydar continuidad al contenido par- tiendo de la observacin y explo-racin. Conexin con Vincula los contenidos tratados en la unidad conotras reas del conocimiento. Ejemplo resuelto Ejercicio tipo,resuelto paso a paso. Su funcin es orientar el desarrollo deciertos ejercicios similares. Iniciales 6/7/10 09:05 Pgina 4 3.Organizacin del texto | 5 ORGANIZACIN DEL TEXTO Sntesis y evaluacinde proceso Pgina donde se integran y evalan los contenidos tratadosen un conjunto de temas. Investigacin cientfica Actividad en la quese trabaja de forma directa el procedimiento cientfico, ya seaplanteando hiptesis, interpretando datos o analizando unexperimento famoso. 4. SNTESIS DE LA UNIDAD Infografa Resumengrfico de los contenidos tratados en la unidad, el que incluye unadefinicin breve de los principales conceptos. 5. PGINAS FINALES DELA UNIDAD Evaluacin final Evaluacin final de la unidad destinada ala verificacin de los aprendizajes esperados; incluye tresmomentos: comprendo, analizo y aplico. Cunto avanc? Pequeaactividad al inicio de la evaluacin sumativa cuya finalidad esrevisar nuevamente la evaluacin diagnstica. Lnea de tiempo Grficalineal en la que se ubican de forma cronolgica los descubrimientosy datos cientficos relacionados con la unidad y en los que sevinculan hechos histricos relevantes a modo de contextualizar laevolucin de la ciencia. Proyecto cientfico Actividad de carcterautnomo, en la que se trabaja de forma ntegra el mtodo cientfico.[email protected] Vnculo con distintas pginas webs en las que seencuentran aplicaciones de los contenidos tratados en la unidad. Qusucedera si…? Actividad destinada al desarrollo de la imaginaciny del pensamiento divergente. As aprendo mejor Breve actividaddestinada a trabajar la metacognicin. Iniciales 6/7/10 09:05 Pgina5 4. 6 | ndice NDICE UNIDAD 1 El sonido Evaluacin diagnstica 10Indagacin: Origen y propagacin del sonido 12 1 Origen del sonido 132 Transmisin del sonido 16 Sntesis y evaluacin de proceso 20Indagacin. Caractersticas del sonido 21 3 Caractersticas del sonido22 Sntesis y evaluacin de proceso 25 4 Perodo y frecuencia 26Investigacin cientfica. Sera posible observar el sonido? 29Indagacin. Caractersticas de las ondas 30 5 Qu es una onda? 31 6Rapidez de propagacin de una onda 36 Sntesis y evaluacin de proceso38 7 Propiedades de las ondas 39 8 Efecto Doppler 41 CTS. Avionessupersnicos 43 Sntesis de la unidad 44 Evaluacin final 46 Proyectocientfico 49 Sntesis y evaluacin de proceso 60 Indagacin. Elcomportamiento de la luz 61 2 Reflexin de la luz 62 Investigacincientfica. Ley de reflexin 63 3 Espejos 65 Sntesis y evaluacin deproceso 72 Indagacin. Propagacin de la luz 73 4 Refraccin de la luz74 CTS. Fenmenos naturales donde acta la refraccin 76 Sntesis yevaluacin de proceso 77 Indagacin. Las lentes 78 5 Lentes 79 6Aplicaciones de las lentes 81 Investigacin cientfica. Distancia enla formacin de imgenes 83 Sntesis de la unidad 84 Evaluacin final86 Proyecto cientfico 89 UNIDAD 3 Espectros ptico y auditivoEvaluacin diagnstica 92 Indagacin. Naturaleza de la luz 94 1Dispersin cromtica 95 Investigacin. Experimento de Herschel 97 2 Elespectro electromagntico 98 3 El ojo, nuestro receptor natural dela luz 101 Sntesis y evaluacin de proceso 103 Indagacin. Espectroauditivo 104 4 El odo, nuestro receptor natural del sonido 105UNIDAD 2 La luz Evaluacin diagnstica 52 Indagacin. Naturaleza de laluz 54 1 La luz y su naturaleza 55 Investigacin cientfica.Experimento de Fizeau 58 8 50 90 Iniciales 6/7/10 09:05 Pgina 6 5.ndice | 7 NDICE UNIDAD 4 Fuerza y movimiento Evaluacin diagnstica122 Indagacin. Sistema de coordenadas 124 1 Sistema de coordenadas125 2 Marco de referencia 126 3 La relatividad del movimiento 128Sntesis y evaluacin de proceso 132 Investigacin cientfica. Adicinde velocidades 133 4 Velocidad relativa 134 CTS. La velocidad de laluz y la relatividad de Einstein 138 Sntesis y evaluacin de proceso139 Indagacin. Midiendo fuerzas 140 5 Fuerzas restauradoras 141Investigacin cientfica. Fuerzas sobre un resorte 142 6 Ley de Hooke144 CTS. Piernas elsticas 148 Sntesis y evaluacin de proceso 149Sntesis de la unidad 150 Evaluacin final 152 Proyecto cientfico 155UNIDAD 5 Dinmica de la Tierra Evaluacin diagnstica 158 Indagacin.Composicin interna de la Tierra 160 1 Formacin de la Tierra 161 2Modelos de la estructura de la gesfera 162 3 Dinmica terrestre 164Sntesis y evaluacin de proceso 168 Investigacin cientfica. Cmopercibimos el movimiento de las placas tectnicas? 169 4 Sismos 170CTS. Animales sismlogos 179 Sntesis y evaluacin de proceso 181Indagacin. Efectos del movimiento de las placas 182 5 Volcanes 183Sntesis y evaluacin de proceso 188 Indagacin. Cambios en lasuperficie de la Tierra 189 6 Un paisaje en constante cambio: laerosin 190 Sntesis y evaluacin de proceso 192 CTS. Cmo detener elavance de los desiertos? 193 Sntesis de la unidad 194 Evaluacinfinal 196 Proyecto cientfico 199 Solucionario 200 Bibliografa 208120 156 5 Infrasonido 107 6 Ultrasonido 109 CTS. El sonar 112Sntesis y evaluacin de proceso 113 Sntesis de la unidad 114Evaluacin final 116 Proyecto cientfico 119 Iniciales 6/7/10 13:29Pgina 7 6. El sonido Unidad 1 8 | Unidad 1 El despertador alempezar el da, el trino de un pjaro, el motor de una micro, lasirena de un barco, la bocina de un tren. Todos los das escuchamosun sinfn de estmulos sonoros que determinan nuestra vida cotidiana.En esta unidad vamos a profundizar en la naturaleza del sonido yestudiaremos de qu manera se comporta en distintas situa- ciones.La rama de la Fsica que se preocupa de su estudio se llama acstica,y sus aplicaciones pueden ir desde la fabricacin de instru- mentosmusicales hasta la exploracin del fondo submarino. De qu manera? Enel desarrollo de esta unidad encontrars la respuesta de esta ymuchas otras interrogantes. Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07 Pgina 8 7.El sonido | 9 ACTIVIDAD INICIAL Reconocer que todo sonido seorigina en un proceso vibratorio. Identificar las caractersticasbsicas asociadas a todo sonido: altura, intensidad y timbre.Analizar los elementos que caracterizan una onda. Relacionarlongitud y frecuencia de una onda con la velocidad de propagacinque esta posea. Analizar cualitativamente los factores que danorigen al efecto Doppler. Identificar problemas, hiptesis yprocedimientos experimentales, en los experimentos del nivel.Interpretar datos empricos, con la finalidad de probar o desecharhiptesis. APRENDERS A: En estas pginas se presenta una serie defotografas. Renete con un grupo de cuatro compaeras y/o compaeros ytrabajen en torno a las siguientes actividades: 1. Describe lasimgenes de las fotografas. Qu es lo que las relaciona a todasellas? 2. En cules puedes distinguir cuerpos que emiten sonido? 3.Qu crees que ocurre en los objetos de las fotografas para quepuedan emitir sonido? 4. Cul de los objetos crees que puedeproducir un sonido ms fuerte? Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07 Pgina 98. 10 | Unidad 1 1. Cuando Felipe est acostado, se le acerca al odoun mosquito cuyo zumbido no lo deja dormir. Qu explicacin te parecems adecuada? Escribe tu respuesta en tu cuaderno. 2. Qu imagen seasocia mejor a oscilacin? Escribe tu respuesta en tu cuaderno. 3.Al hacer sonar el timbre del colegio para salir a recreo, elinspector pulsa el interruptor elctrico. Producto de aquello, unacampanilla es golpeada 50 veces por segundo por el pulsadormetlico, el que en cada golpe se desplaza 2 cm. En relacin a loanterior: a. Cul es la frecuencia del timbre? b. Cul es la amplituddel pulsador metlico? c. Podras determinar el tiempo que transcurreentre cada golpe a la campanilla?, cmo se le llama de formaparticular a dicho tiempo? 4. Desarrolla en tu cuaderno lassiguientes preguntas. a. En qu crees que consiste un movimientoperidico? b. Qu entiendes por perodo? El mosquito emite el zumbidode forma similar a como una persona emite la voz. El zumbido sepro- duce por la resisten- cia del aire al vuelo del mosquito. Elmosquito emite el zumbido debido a su rapidez. El mosquito emite elzumbido debido al rpido batido de sus alas. EVALUACIN DIAGNSTICA AB C D Respondeentucuaderno Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07 Pgina 10 9.El sonido | 11 5. En el patio de un colegio, una nia juega a saltaruna cuerda. En cada giro que realiza, la cuerda pasa rozando elsuelo y, luego, esta alcanza una altura de 1,5 metros. Si seconsid- era el movimiento como peridico, esa medida se asocia mejoral concepto de: A B C D 6. Se quiere saber cmo se propaga el sonidoen un medio fsico. Referido a esto, se plantea lo siguiente: elsonido se propaga en el aire debido a que las partculas que estnpre- sentes en el aire se mueven. Lo expuesto en el prrafoanterior, corresponde a la descripcin de: a. El problema. b. Lahiptesis. (Justifica tu respuesta) 7. Un pndulo oscila como lomuestra la imagen. Describe de forma breve los pasos que seguiraspara medir su frecuencia y perodo. frecuencia perodo movimientoperidico amplitud EVALUACIN DIAGNSTICA LO QUE ME GUSTARA SABERElabora un listado de preguntas, relacionadas con el sonido, que tegustara poder explicar una vez finalizada la unidad. Identificaproblemas cotidianos que te afecten a ti o a tu entorno y que serelacionen con el sonido. Plantea posi- bles soluciones. 1 UnidadUnidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07 Pgina 11 10. 12 | Unidad 1 INDAGACIN:ORIGEN Y PROPAGACIN DEL SONIDO Qu debe ocurrir con un cuerpo paraque se convierta en una fuente sonora? Renete con un compaero ocompaera y elaboren una hiptesis para la pregunta propuesta, ponadems mucha atencin en las ideas del resto de tus compaeros ycompaeras. Materiales Dos vasos de plumavit, un alfiler, cincometros de hilo de volantn, pitilla o lana. Procedimiento 1.Perforen el centro de la base de cada vaso con un al- filer y haganpasar el hilo por el agujero, de manera que sobresalga un trozohacia el interior del vaso. 2. Hagan un nudo en el hilo que sobra,para que no pueda soltarse del vaso. 3. Tomen cada uno un vaso yseprense el uno del otro hasta que el hilo quede tenso. 4. Pdele atu compaera(o) que se acerque el vaso a la boca y que hable por l,mientras t te acercas el vaso al odo y escuchas. 5. Pdele, adems,que mientras habla se ponga un par de dedos en la garganta y quecomente qu es lo que siente al tacto. 6. Repitan la experienciaintercambiando roles. En relacin a lo observado en la experiencia,respondan las siguientes preguntas: a. Qu se percibe al tacto,mientras hablan y se ponen los dedos en la garganta?, se percibealgo similar en el vaso y en el hilo? b. Despus de realizada laactividad, vuelvan a responder la pregunta inicial. c. Verificaronsu hiptesis? DESARROLLO DEL CONTENIDO Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07Pgina 12 11. El sonido | 13 1. Origen del sonido Como pudisteobservar en la actividad anterior, cuando un cuerpo emite sonido esposible percibir vibraciones en l; en el caso de la voz, el cuerpoque vibra son las cuerdas vocales, tambin vibra el hilo quetransmite sonido de la voz hasta el otro vaso. Algo similar sepuede verificar en distintas situaciones, por ejemplo, al golpeartu mesa con la mano, o al pulsar la cuerda de una guitarra. Siacercas la mano mientras suena, podrs percibir vibraciones. Enestos casos, el cuerpo se convierte en una fuente sonora; perocualquier tipo de vibracin es capaz de producir un sonido? Hay mu-chos tipos de vibraciones, como las producidas por el motor de unautomvil, un temblor, un trueno, pero no todas producen sonidosbien definidos. 1.1 Vibraciones peridicas Las vibraciones peridicasse caracterizan por reiterarse a intervalos igua- les de tiempo,como la cuerda de una guitarra al oscilar, un diapasn al sergolpeado, o la membrana de un parlante. En el caso de un relojdespertador, una pieza metlica vibra peridicamente y golpea lascampanillas. En el caso de un ventilador en funcionamiento, tambinse aprecia un movimiento peridico de las aspas, el que produce unflujo continuo de aire. Cuerdas vocales: estas son una serie dereplieges musculares ubi- cados en la laringe, los que pue- dencontraerse regulando el flujo del aire proveniente de los pulmo-nes, produciendo as la voz. Vibracin: Es la deformacin regu- lar deun cuerpo o medio; tam- bin se puede considerar como la «oscilacin»o el movimiento repetitivo de un objeto alrededor de ciertaposicin. CONCEPTOS CLAVE Generalmente se confunden los trminosruido y sonido; si bien ambos son ondas sonoras, la diferenciaentre ellos radica en los efectos producidos por cada uno. El serhumano considera como ruido las ondas sonoras incoherentes y que nopuede interpretar. DESARROLLO DEL CONTENIDO Ten presente que: 1Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07 Pgina 13 12. 14 | Unidad 1[email protected] En la pginahttp://sinalefa2.wordpress.com/la-orquesta/instrumentos-de-cuerda/encontrars un video en el que se explica el proceso de vibracin delas cuerdas y su relacin en la produccin de sonido en algunosinstru- mentos musicales. Adems, en la misma pgina puedes leersobre los distintos instrumentos de cuerda. 1.2 Fuentes devibraciones Las vibraciones u oscilaciones que generan sonidopueden ocurrir en dife- rentes medios. Analizaremos las vibracionesen lminas, cuerdas y cavidades. a. Vibraciones en lminas Paraestudiar este tipo de oscilaciones, realiza la siguienteexperiencia. b. Vibraciones en cuerdas En la actividad de indagacininicial pudiste comprobar que las vibraciones se transmitan a travsde un hilo. Hay mltiples ejemplos de este tipo de vibraciones: laoscilacin de las cuerdas de los instrumentos musicales, in- clusobasta con tensar lo suficiente una cuerda de nailon (hilo depescar) para que al pulsarla emita un sonido caracterstico. c.Vibraciones en cavidades Has notado que al soplar horizontalmentela boca de una botella se emite un sonido? Algo similar ocurre alsoplar una flauta o cualquier instrumento de viento, en todos loscasos se habla de vibraciones en cavidades. Cul es el cuerpo omedio material que vibra en estos casos? Discute la res- puesta contus compaeros y compaeras. Al soplar una zampoa se emite un so-nido caracterstico; este cambia si se mo- difica el largo de la caaque es soplada. A qu crees que se deba esto? 1. Consigue una reglade 30 cm o ms y apyala en una mesa, de- jando la mitad libre. 2.Apritala firmemente con una mano y con la otra mano mueve elextremo libre hacia abajo y, luego, sultala, qu observas? 3.Identifica la posicin de equilibrio de la regla. 4. Ubica la reglade manera que disminuya la extensin que queda libre y repite laexperiencia. Qu ocurre con la vibracin?, qu ocurre con el sonido?DESCRIBIR-INFERIR Actividad 1 DESARROLLO DEL CONTENIDO VIBRACIN DEUNA REGLA Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:07 Pgina 14 13. El sonido | 151.3 Propagacin de una vibracin En la actividad de indagacin pudistecomprobar que el sonido es capaz de viajar a travs de un mediomaterial, como lo es el hilo de volantn, pero cmo se propaga atravs de otros medios materiales, y de qu manera lo hace? Pararesponder estas preguntas podemos realizar la siguiente actividad.Algo muy similar a lo que ocurre en el resorte sucede con latransmisin del sonido en el aire. Se puede hacer un smil donde lasespiras de resorte seran partculas de aire; al emitir un sonido, seproduce una perturbacin en el aire, donde las zonas en que laspartculas estn ms juntas se llaman zonas de compresin, mientras quelas regiones en que estn ms sepa- radas se denominan zonas derarefaccin (ver dibujo). Una propagacin de este tipo se denominaonda mecnica, donde las partculas del medio no se propagan de unextremo al otro, sino que oscilan. Adems, las compresiones yrarefacciones se producen en la misma direccin de la propagacin dela onda, por lo que se dice que son ondas longitudinales. El sonidoes, entonces, una onda mecnica longitudinal. Cuando un sonido sepropaga, hay energa que se transmite desde la fuente sonora, perolas partculas del medio no viajan. Si se pudiesen ver las partculasde aire al interior de un tubo, y se hace oscilar un pistn en suextremo cerrado, se podran distinguir las zonas de compresin y lasde rarefaccin, como se ilustra en el dibujo. Medio material: sedenomina de esa manera a cualquier sistema formado por partculas demateria (tomos y molculas). Puede estar en cualquier estado de lamateria; slido, lquido, gaseoso o plasma. CONCEPTOS CLAVE Pararealizar esta experiencia, consigue un resorte de plstico que sepueda estirar un par de metros, como los que venden en lasjugueteras. 1. Con la ayuda de una compaera o un compaero, colocael resorte en el piso. 2. Mientras tu compaero(a) sostienefirmemente el resorte por un extremo, extiende el otro un par demetros, cuidando que no se dae. 3. Una vez extendido el resorte,comprime un trozo de 10 cm hacia el extremo y luego deja de aplicarla presin (sin soltar el resorte). 4. Qu ocurre con la posicin dela zona comprimida una vez que la sueltas? 5. Identifica qu es loque se propaga y cul es el medio material. DESCRIBIR-ASOCIARActividad 2 Imagina que eres el consultor cientfico de una pelculade ciencia ficcin. En una de las escenas, el director te explicaque, cuando una nave explota en el espacio, las vibraciones delsonido casi destruyen una nave espacial cercana. Qu le aconsejarasal director de la pelcula si sabes que el sonido no se transmite enel vaco? DESARROLLO DEL CONTENIDO VIBRACIN DE UN RESORTE QUSUCEDERA S? Compresin Rarefaccin 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/1009:07 Pgina 15 14. 2. Transmisin del sonido En la actividadanterior pudiste verificar que el sonido se transmite de formadiferente en medios distintos. As, un sonido lo puedes percibir deforma ms intensa en un medio slido, como el muro, que en un gas,como el aire. Los lquidos tambin son muy buenos transmisores delsonido, existiendo muchos animales marinos que se comunican poreste medio, como los delfines y las ballenas. 2.1 Rapidez depropagacin del sonido Quizs has observado en alguna tormentaelctrica que la luz de un relm- pago llega antes que el sonido deltrueno, aunque ambos fenmenos ocu- rran de manera simultnea.Podemos concluir que la rapidez con que viaja el sonido es menorque la de la luz, pero cunto menor? Averigua cul es la rapidez dela luz. Otro efecto importante en la transmisin del sonido es laeficiencia de transmisin. En ese sentido se cumple que los sonidosgraves se trans- miten mejor (o con mayor eficiencia) que losagudos. Esto se debe a que los agudos se disipan rpidamente con ladistancia. Por ejemplo, al escuchar de lejos los sonidos de unafiesta, sern los sonidos graves los que pre- dominen, o en lastormentas en que los truenos se oyen ms agudos al estar ms cerca dedonde se producen. Tabla 1: Rapidez de propagacin del sonido endiferentes medios Medio Rapidez (m/s) Aire (0 C) 331 Aire (15 C)340 Oxgeno (0 C) 316 Hidrgeno (0 C) 1.260 Agua (20 C) 1.480Glicerina 1.950 Madera 4.500 Vidrio hasta 5.300 Para estudiar cmose transmite el sonido en diferentes medios, realizaremos lasiguiente actividad: 1. Pdele a un compaero o compaera que ponga elodo en el muro, alejado unos 10 pasos de ti. 2. Luego, con unamoneda o un lpiz, golpea suavemente el muro. Pdele a tu compaera(o)que te diga lo que percibe con el odo en el muro y registra surespuesta. 3. Ahora pdele que retire el odo del muro y vuelve agolpearlo. Qu es lo que percibe ahora tu compa- ero(a)? Respondan:a. En qu caso el sonido se percibe con mayor intensidad? b. Por qucreen que se produce dicha diferencia, si es que la percibieron?INFERIR Actividad 3 DESARROLLO DEL CONTENIDO 16 | Unidad 1 CMO SETRANSMITE EL SONIDO? Observando la tabla, qu relacin puedesestablecer entre la densidad del medio y la rapidez de propagacindel sonido? Fuente: Archivo editorial. Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08Pgina 16 15. El sonido | 17 Existen mamferos como los delfines ylos murcilagos que utilizan la reflexin del sonido para ubicarobjetos en el espacio, inclusive en total oscuridad. Este mecanismose llama ecolocalizacin y lo pueden usar gracias a que tienen unsistema auditivo muy desarrollado. Estos mamferos emiten sonidosmuy agudos (a veces inaudibles para los seres humanos) y al captarla reflexin de ellos en un obstculo, pueden saber, por ejemplo, aqu distancia se encuentra dicho cuerpo. CONEXIN CON BIOLOGA 2.2Reflexin del sonido As como una onda en la superficie del agua serefleja al chocar con las pa- redes de una piscina, la energa deuna onda sonora se refleja al incidir sobre algunas superficies. Notodas las superficies se comportan de igual manera, por ejemplo elso- nido se refleja de manera mucho ms eficiente en un muro deladrillos que en un cortinaje grueso, el que absorber gran partedel sonido. En general, la reflexin del sonido es mejor entre mayordensidad tenga la superficie donde choque. El fenmeno de reflexin yotros que estudiaremos ms adelante, permi- ten explicar el sonidocomo si tuviera un comportamiento similar a las olas que sereflejan en un estanque. Como el sonido puede ser representado poruna onda, hereda todos los fenmenos asociados a ellas. DESARROLLODEL CONTENIDO Imagina que vas a or un con- cierto a una sala y depronto las leyes fsicas cambian, de manera que los objetos que terodean pierden la capaci- dad de reflejar el sonido, qu efectospodras notar?, qu ocurrira luego, si los objetos absorbieran todoel sonido que reciben? Considera que lo que transportan las ondases energa. QU SUCEDERA SI? 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08Pgina 17 16. 18 | Unidad 1 Cul ser la distancia mnima que debertener una persona con un muro, para poder apreciar el fenmeno deleco? El eco consiste en que el mismo sonido que se emite se vuelvea or despus de cierto tiempo. Para responder la pregunta planteadainicial- mente, hay que tomar en cuenta que el sonido, desde elmomento de ser emitido por las cuerdas vocales, debe llegar hastael muro y reflejarse a la persona. Adems, se debe considerar que elodo humano es capaz de diferenciar dos sonidos, cuando llegandesfasados por un tiempo mnimo de 0,1 s. Otro dato importante es larapidez del sonido en el aire; consideraremos para este caso elvalor de 340 m/s. Designaremos con la letra x la distancia adeterminar, la que debe ser recorrida dos veces por el sonido (deida y de vuelta). El tiempo empleado debe ser de 0,1 s para que elodo pueda distinguir los sonidos por separado; entonces, podemosescribir que: As podemos despejar el valor de x que es la distanciaque buscamos. Entonces, 17 metros es la mnima distancia para lograrel eco. Cul sera la distancia mnima que necesitara un delfn paraescuchar su eco en el agua? Para responder esto, con- sulta latabla 1. v x = 340 m s = 2 0,1 s x x = 1 2 340 m s 0,1 s = 17 m Enel aire el sonido viaja en promedio a 340 m/s. Imagina que nospudisemos comunicar en un medio fsico donde el sonido viaje muchoms rpido, alrededor de cinco veces la velocidad en el aire. A qudis- tancia podramos percibir el eco? DESARROLLO DEL CONTENIDOEJEMPLO RESUELTO 1 QU SUCEDERA SI? Recuerda que la rapidez es ladistancia recorrida en un tiempo determinado. En el SI esta esmedida en m/s. x Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 18 17. Elsonido | 19 Si pudieses examinar de muy cerca algunos materiales,te daras cuenta de que algunos son mas porosos que otros, lo queles permite absorber mejor el sonido. Un coeficiente de absorcinigual a 1 sig- nifica absorcin total del sonido. Los valo- res deesta tabla estn considerados para un sonido de frecuencia 500hertz. Fuente: Instrumentos musicales, Artesana y Ciencia;Massmann, Ferrer, 1993. Tabla 2: Coeficiente de absorcin de sonidopara algunos materiales Material Coeficiente de absorcin Pared deladrillos 0,03 Piso de madera 0,10 Vidrio de una ventana 0,20Cortinaje grueso 0,55 Butaca con persona 0,8 DESARROLLO DELCONTENIDO Formen un grupo de dos o tres integrantes. Necesitarn unreloj con alarma, una caja de cartn pequea, y diversos materialesde los cuales quieran probar su capacidad como aislantes acsticos(pueden ser plu- mavit, papel arrugado, madera, gnero, etc.). 1.Programen el reloj para que suene dentro de un minuto y colquenlodentro de la caja. Cirrenla y escuchen con atencin el sonido,poniendo especial atencin en su intensidad. 2. Repitan elprocedimiento anterior, pero previamente recubran la caja con unode los materiales esco- gidos. Luego, repitan el procedimiento paralos dems materiales. 3. Elaboren una tabla donde clasifiquen losmateriales de peor a mejor aislante acstico. Qu caractersticasfsicas pueden notar en aquellos materiales que resultaron mejoresaislantes? Expliquen. DESCRIBIR-RELACIONAR Actividad 4 AISLANTESDEL SONIDO 2.3 Absorcin del sonido No todas las superficiesreflejan el sonido de la misma manera; entonces, po- dran surgirlas preguntas: qu ocurre con el sonido que no es reflejado?, a dndeva? La siguiente actividad nos servir para indagar al respecto.Generalmente los materiales blandos y de baja densidad, como lasespon- jas, las alfombras y las cortinas resultan ser buenosaislantes acsticos. Esto se debe a que absorben gran parte delsonido. Estos materiales tienen en comn que poseen al interiornumerosas cavidades de aire, lo que puedes comprobar si losexaminas con una lupa (ver dibujo). Ahora bien, utilizare- mos unaanaloga para tratar de explicar la absorcin del sonido; has no-tado que en un ro, el agua de las orillas se mueve a una rapidezmenor que la del centro?, esto se debe al roce producido entre elagua y la ribera. Algo similar ocurre con la energa sonora quellega a una cortina: el aire que rodea las porosidades estgeneralmente en reposo, y al incidir en ella el sonido, producepequeas turbulencias de aire que provocan friccin y su consecuentedisipacin de energa. Otro fenmeno importante en la propagacin delsonido es la rever- beracin. Este sucede cuando un sonido serefleja muchas veces al interior de un recinto, una iglesia, porejemplo, lo que no permite distinguir los sonidos por separado. Cmocrees que se podra reducir este efecto para mejorar la acstica deun lugar? 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 19 18. ASAPRENDO MEJOR Responde las siguientes preguntas en tu cuaderno: a.De qu manera(s) te result ms fcil aprender? b. A qu piensas que sedebe? SNTESIS 20 | Unidad 1 EVALUACIN DE PROCESO 1. Cmo se produceel sonido? 2. Menciona dos ejemplos de instrumentos que generensonido para cada uno de los siguientes medios: cuerdas, lminas ycavidades. 3. Explica el proceso de propagacin del sonido por elaire; cmo se podra hacer una analoga con un resorte? 4. Busca tresejemplos de medios materiales, y ordnalos de mayor a menorcapacidad para conducir el sonido. 5. Busca tres ejemplos de mediosmateriales, y ordnalos de menor a mayor capacidad para absorber elsonido. 6. Un pez chapotea en el agua. A 100 metros de distanciahay una persona sobre un bote y, bajo l, otra persona buceando;quin escuchar primero el chapoteo?, cunto se demora en llegar elsonido a cada uno? Copia y completa el siguiente esquema en tucuaderno: Una fuente sonora medio material produce que se propaganpor un con las propiedades de que pueden ocurrir en INTEGRANDOCONOCIMIENTOS Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 20 19. El sonido |21 INDAGACIN: CARACTERSTICAS DEL SONIDO De qu depende que un sonidosea agudo o grave? Renete con una compaera o compaero y escriban ensus cuadernos, en no ms de cinco lneas, una hiptesis al problema deinvestigacin. Anoten, adems, las interrogantes que les surjanrespecto del tema. Compartan con el resto del curso sus inquietudesy pongan mucha atencin en las ideas del resto de sus compaeros ycompaeras. Materiales Una regla de plstico de 20 o 30 cm.Procedimiento 1. Apoyen la regla plstica en el borde de una mesa,dejando que sobresalga de la mesa al menos 18 cm. 2. Empjenla haciaabajo y sultenla. Observen la vibracin y escuchen el sonido. 3.Repitan el paso anterior disminuyendo 3 cm cada vez, hasta que laregla sobresalga slo 4 cm del borde de la mesa. En relacin a loobservado en la experiencia, res- pondan a las siguientespreguntas: a. En qu situacin la vibracin de la regla tuvo unafrecuencia mayor de oscilacin, es decir, cundo vibr ms rpido? b. Qurelacin pueden establecer entre la fre- cuencia de la vibracin ylas caractersticas del sonido producido? Expliquen. c. Qu relacinpueden inferir entre la frecuencia con que vibra la regla y cunagudo o grave es el sonido? d. Qu pueden decir sobre la hiptesisinicial? DESARROLLO DEL CONTENIDO 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/1009:08 Pgina 21 20. 3. Caractersticas del sonido 3.1 Tono o alturade un sonido En la actividad de indagacin anterior observaste queexiste una estrecha relacin entre la frecuencia de la vibracin dela regla y cun agudo o grave era el sonido que se produca: a mayorfrecuencia, ms agudo se percibe el sonido y, a menor frecuencia, msgrave. A esta caracterstica, que de- pende de la frecuencia ypermite distinguir un sonido grave de uno agudo, le llamaremostono. Como los trminos agudo y grave son subjetivos, los diferentestonos se clasifican segn su frecuencia. La unidad fsica defrecuencia es el hertz (Hz), llamada as en honor al fsico alemnHeinrich Hertz (1857-1894), quien demostr la existencia de la ondaselectromagnticas. Una frecuencia de 1 Hz, equivale a una oscilacinpor segundo; una frecuencia de 10 Hz equivale a 10 oscilaciones porsegundo, y as sucesivamente. 22 | Unidad 1 La escala musical es unordenamiento ascendente de tonos; una de las escalas ms conocidases la diatnica, que corresponde a una escala conformada por ochonotas musicales. La frecuencia correspondiente a cada una de dichasnotas musicales ha ido cambiando en el transcurso de la historia,segn el gusto, estilo y posibilidades de cada poca, hasta que en1939 se fij la frecuencia de una nota de referencia, a partir de laque se dedujeron las dems. La nota y frecuencia escogida fue la, a440 Hz, las frecuencias correspondientes a cada nota de la escaladiatnica son las siguientes: Fjate que la frecuencia del do finales exactamente el doble de la frecuencia del do con el que seinicia la escala. Si avanzas en la escala desde el do inicial hastael do posterior al de 523,26 Hz, cul crees que ser su frecuencia?CONEXIN CON MSICA REFLEXIONEMOS Cmo crees que la msica ha influidoen el desarrollo de las diferentes culturas? Vivimos en un mundo enque cada cultura posee sus pro- pias formas musicales. Noso- tros,por ejemplo, vivimos en una sociedad cuya cultura musical resultade una fusin entre la msica occidental eu- ropea, la msica de lospueb- los africanos trados como esclavos y aquellas formasmusicales precolombinas. Qu conoces de la msica de las culturasorientales?, qu elementos encuentras comunes en todas las formasmusicales? La voz humana es capaz de emitir sonidos con frecuenciasque varan aproximadamente entre los 80 Hz (voz bajo) y los 1.400 Hz(voz soprano). DESARROLLO DEL CONTENIDO DO 261, 63 Hz RE 293,66 HzMI 329,63 Hz FA 349,23 Hz SOL 392 Hz LA 440 Hz SI 493,88 Hz DO523,26 Hz Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 22 21. 3.2 Intensidaddel sonido A partir de la experiencia anterior, seguramente habrsnotado que mien- tras mayor sea el tamao o, ms correctamente, laamplitud de la oscila- cin de la cuerda, ms fuerte se escuchar elsonido. A esta caracterstica, que comnmente llamamos volumen, enFsica se denomina intensidad y un parmetro para medirla es el nivelde intensidad sonora (N.I.S.) cuya unidad de medida es el decibel(dB), que proviene del nombre del inven- tor Alexander Graham Bell(1847-1922). La intensidad de un sonido permite diferenciar lossonidos fuertes de los dbiles y est estrechamente relacionada conla cantidad de energa que transporta una onda sonora. Por eso, enpresencia de un sonido muy in- tenso pueden vibrar los objetos queestn cercanos a la fuente sonora, o incluso romperse, como en elcaso de una explosin. La escala de decibeles es reducida; por eso,un sonido de 20 dB es 100 veces ms intenso que uno de 10 dB, y unode 30 dB es 1.000 veces ms intenso que uno de 10 dB. La intensidadde los sonidos se mide con un ins- trumento llamado sonmetro. Elsonido | 23 DESARROLLO DEL CONTENIDO Para realizar esta actividadnecesitars una guitarra o, en su defecto, un hilo de nailon quepuedas tensar firmemente entre dos puntos. 1. Pulsa una cuerdasuavemente, de manera que emita sonido. 2. Pulsa la cuerdanuevamente, pero de manera que su oscilacin sea mayor. a. Notasalguna diferencia en el volumen del sonido? b. Qu relacin podrasestablecer entre el tamao de la pulsacin aplicada a la cuerda y elvolumen del sonido producido? ANALIZAR Actividad 5 Observa lasiguiente tabla y completa las siguientes actividades: 1. Realizaun clculo aproximado de cuntas veces es ms intenso el sonido de untrueno que el de un automvil en marcha. 2. Basndote en los valoresentregados por la tabla, realiza una estimacin de la intensidad de:a. Una radio dentro de una micro. b. Los audfonos de tu MP3 convolumen mximo. COMPARAR-INFERIR Actividad 6 Tabla 3: Intensidad dealgunos sonidos Fuente de sonido N.I.S.(dB) Respiracin 10Conversacin en voz baja 20 Automvil en marcha 50 Conversacin normal60 Grito fuerte 80 Trueno 110 Umbral del dolor 130 OSCILACIN DE UNACUERDA INTENSIDAD DE ALGUNOS SONIDOS La amplitud con que vibra unacuerda se relaciona con la intensidad del sonido que se escucha.Fuente: Archivo editorial 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08Pgina 23 22. 24 | Unidad 1 3.3 Timbre de un sonido Cuando unaorquesta afina sus instrumentos, sucede en algn momento que todoslos instrumentos tocan la misma nota musical. Como vimos en laseccin 3.1, el tono de un sonido lo determina la frecuencia de lavi- bracin de la fuente sonora, pero, por qu suenan diferentestodos los instrumentos, si vibran con la misma frecuencia? Pararesponder aquello hay que incorporar la idea de timbre; que es loque permite diferenciar dos sonidos que tienen el mismo tono y lamisma intensidad, pero que tienen algo distinto. Y es que el sonidoproducido, por ejemplo, por una cuerda de un violn, no es un tonopuro, sino la suma de varios tonos puros producidos por el mismoinstrumento, aunque tenga una frecuencia caracterstica que lepermita identificarlo con una nota musical. En el caso de losinstrumentos musicales, hay muchos factores que influyen en sutimbre definitivo: el proceso de construccin, el materialutilizado, el tamao, la forma, el diseo y, por supuesto, lanaturaleza del instrumento: si es de viento, cuerdas o percusin.Existen instrumentos musicales de distinto tipo. En losinstrumentos de viento, como una flauta o una armnica, el medio quevibra es la columna de aire que hay al interior del instrumento. Enlos instrumentos de percusin, como es el caso de un tambor, lasvibraciones se producen en la superficie del cuero, antes detransmitirse al aire circundante. Finalmente, en los instrumentosde cuerda, son ellas las que experimentan las oscilaciones; esto sepuede apreciar, por ejemplo, en un violoncello, una ctara, unaguitarra, o en las cuerdas de un piano. CONEXIN CON MSICA Tonopuro: corresponde al sonido producido como consecuencia de una solafrecuencia y no por la suma de varias frecuencias; por ejemplo, lanota mi que produce un violoncello no es un tono puro, ya que eltimbre caracterstico de este corresponde a la suma de variasfrecuencias simultneas; en cambio, la nota Mi producida por undiapasn corres- ponde a un tono puro. CONCEPTOS CLAVE DESARROLLODEL CONTENIDO La orquesta al afinar los instrumentos produce unamasa sonora, pero cada uno de los instrumentos posee un timbre quelo caracteriza. Crdito:TeatroMunicipaldeSantiago. Unidad 1 (8-49)6/7/10 09:08 Pgina 24 23. SNTESIS El sonido | 25 Copia y completael siguiente esquema en tu cuaderno: Caractersticas de un sonidoTono INTEGRANDO CONOCIMIENTOS AS APRENDO MEJOR Responde lassiguientes preguntas en tu cuaderno: a. De qu manera(s) te resultms fcil aprender? b. A qu piensas que se debe? EVALUACIN DE PROCESO1. Describe brevemente el proceso desde que se hace vibrar lamembrana de un tambor hasta que una persona percibe el sonido. 2.Dos fuentes sonoras idnticas se encuentran una justo por encima dela superficie de un lago, y la otra justo, por debajo. Las dosfuentes emiten sonidos simultneamente. Quin es- cuchar primero elsonido? a. Una persona ubicada en la orilla del lago a 100 m de lafuente sonora. b. Un buzo que se encuentra al lado de la mismaorilla, pero sumergido bajo el agua. c. Un observador que seencuentra elevado en un globo a 150 m de altura. d. Un buzosumergido a 150 m, exactamente debajo de las fuentes sonoras. e. Nose puede determinar sin saber la intensidad de los sonidos.(Adaptada de la XVIII Olimpiada Colombiana de Fsica, 2002)Relacionada con la amplitud y la energa. Relacionada con Permitediferenciar un instrumento de otro. 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/1009:08 Pgina 25 24. 26 | Unidad 1 4. Perodo y frecuencia De laactividad recin presentada se puede deducir que la frecuencia de unsonido est estrechamente relacionada con el intervalo de tiempo enque se suceden dos golpecitos. Si haces pasar el lpiz ms rpido, eltiempo entre dos pulsos disminuye y el tono escuchado es diferente.En cambio, si pasas el lpiz de forma ms lenta, el tiempo entre dosgolpes ser mayor. En general, esto sucede para cualquier movimientoperidico; la frecuen- cia est ligada al tiempo en que se completaun ciclo. A ese tiempo se le denomina perodo (T) y se mide ensegundos. En fsica es til relacionar matemticamente las magnitudesestudiadas, pues permite predecir situaciones con mayor exactitud;cmo ser la relacin entre la frecuencia y el perodo? Con lasiguiente actividad podrs estudiar esta relacin. [email protected] Enla siguiente direccin:http://www.kamikawas.com/physics/jdk11app/wavegenerator/wavgen_e.htmpodrs encontrar un programa que simula un generador de frecuencias,es decir, un instrumento en que t puedes decidir la frecuencia deuna fuente sonora y como respuesta te entrega el sonidocorrespondiente. Verifica las notas de la seccin Conexin con, de lapgina 22, con la ayuda de una guitarra o una flauta. DESARROLLO DELCONTENIDO Para la siguiente actividad necesitars un cuaderno deespiral y un lpiz. 1. Pasa el lpiz por el espiral del cuaderno demodo que produzca un tono. a. Qu debes hacer para que el sonido seescuche ms agudo? b. Qu relacin tiene el intervalo de tiempo en quese tocan dos espiras seguidas y el tono percibido? c. Qu relacintiene la frecuencia con el tono percibido? d. Finalmente, yrelacionando las dos ltimas preguntas, qu relacin podras establecerentre la fre- cuencia y el intervalo en que suenan las espiras?RECONOCER-ASOCIAR Actividad 7 RELACIN ENTRE TONO Y PERODO Eldiapasn consiste en una horquilla me- tlica, que al ser golpeadovibra con una determinada frecuencia. Son utilizados, por ejemplo,para afinar instrumentos, ya que el tono que emite es siempre elmismo, independiente de la fuerza con que se golpee. Unidad 1(8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 26 25. Te presentamos la siguientesituacin simulada: en una sala de clases, el profesor de Fsicainstala el siguiente dispositivo: un disco con 48 perforacionesregularmente distanciadas y equidis- tantes de su centro. Con laayuda de un pequeo motor elctrico hace girar el disco con unarapidez uniforme, de manera que este completa cinco vueltas en unsegundo. Al soplar con una pajilla a travs de las perforaciones, elflujo de aire ser interrumpido, producto de lo cual se produce unaper- turbacin regular en la densidad del aire y, por consiguiente,es- cuchamos un tono. a. Cuntas veces se interrumpe el aire en unsegundo?, y en cinco segundos? b. Cmo podras determinar lafrecuencia del tono escuchado? c. Si el disco girara con el doblede rapidez, el tono escuchado sera ms grave o ms agudo? Justifica.d. Para el caso anterior, determina la frecuencia y el perodo delsonido que se produce. e. Qu relacin matemtica crees que existeentre frecuencia y perodo? ASOCIAR-INFERIR Actividad 8 El sonido |27 4.1 Relacin entre perodo y frecuencia En la actividad anteriordescubrimos la relacin inversa que existe entre frecuencia yperodo. Precisando esta relacin, si la frecuencia de una osci-lacin disminuye a la mitad, su perodo aumenta al doble; si lafrecuencia dis- minuye a la tercera parte, el perodo aumenta altriple, y as sucesivamente. Es decir, estamos frente a lo que, enlenguaje matemtico, se llama una re- lacin de proporcionalidadinversa. Esto lo podemos expresar de la si- guiente manera: Usandounidades del Sistema Internacional, el perodo se expresa en segun-dos, mientras que la frecuencia se expresa en hertz; de estopodemos notar la siguiente equivalencia entre unidades 1Hz = 1 /s Tf = 1 (ecuacin 1) DESARROLLO DEL CONTENIDO RELACIONANDO PERODO YFRECUENCIA Un timbal es un instrumento que emite un tono al vibrarsu membrana. Posee un pedal que puede cambiar la tensin de lasuperficie, lo que permite que vibre de manera ms rpida o lenta, quocurrir con el perodo en ambos casos? 1 Unidad Unidad 1 (8-49)6/7/10 09:08 Pgina 27 26. 28 | Unidad 1 Qu perodos de lasoscilaciones son audibles para el ser humano? Para resolver esteproblema debemos tener en cuenta que el odo humano (en promedio) escapaz de or vibra- ciones entre 20 y 20.000 Hz; entonces, una vezconocidas las frecuencias, el perodo se puede obtener simple- mentede la relacin: Para la frecuencia ms grave resultara: Mientras quepara el tono ms agudo sera: Entonces los perodos de lasoscilaciones audibles para el ser humano estaran en el rango entreA qu nota musical corresponde un sonido cuyo perodo es de 2,27 x10-3s? Conocido el perodo T, la frecuencia se puede determinar conla relacin: que corresponde a la ecuacin 1, pero expresada demanera que resulte ms til para calcular la frecuencia. Si rem-plazamos el valor, nos queda: Dicha frecuencia correspondeaproximadamente a la nota la (ver frecuencias de las notasmusicales, pgina 22). T f = 1 T Hz s= = 1 20 0 05, T Hz s= = 1 20000 5 10 5 . – f T = 1 f s Hz= = 1 2 27 10 440 533 , ,-Contaminacin acstica Generalmente, se cree que los daos al odo seproducen por los tonos agudos (de alta frecuencia) y, aun- que escierto que estas ondas sonoras transportan ms energa, en rigor eldao auditivo es producto de la intensidad del sonido. Se hadeterminado que la exposicin prolongada a niveles de sonido de 90dB, habi- tuales en discotecas, o al or msica por audfonos, puedeprovocar prdidas irreparables en la audicin, cambios en la presinsangunea o cambios en el ritmo cardiaco. Algunos cientficosproponen que los rui- dos muy intensos aumentan la secrecin deadrenalina, una hormona que hace que la conducta sea ms agresiva.Qu otras situaciones de contaminacin acstica se presentan en lavida cotidiana? Propn mane- ras para evitarlas. REFLEXIONEMOSDESARROLLO DEL CONTENIDO EJEMPLO RESUELTO 2 EJEMPLO RESUELTO 3 5 100 055 s sT , Unidad 1 (8-49) 6/7/10 13:32 Pgina 28 27. El sonido |29 DESARROLLO DEL CONTENIDO INVESTIGACIN CIENTFICA Sera posibleobservar el sonido? Planteamiento del problema La percepcin de todofenmeno sonoro depende de nuestro aparato auditivo; pero podr elsonido ser repre- sentado de forma visual, de modo de distinguir yasociar caractersticas propias de l, como lo son el tono e inten-sidad, en una representacin grfica? Propn una posible representacingrfica de las principales caractersticas del sonido. MaterialesRenanse en grupo de cuatro estudiantes y junten los siguientesmateriales: un tubo de PVC de 15 cm de largo y al menos de 10 cm deancho (puede ser reemplazado por un tarro de caf con sus dosextremos abiertos), un pun- tero lser, un globo o guante quirrgico,un palito de helado, un elstico grueso, cinta adhesiva y un pequeotrozo de espejo. Procedimiento 1. Realicen el montaje representadoen la secuencia de dibujos (A, B, C). 2. Una vez realizado elmontaje, uno(a) debe sostener el tubo con ambas manos y tratar deproducir tonos regula- res con la voz en el interior de este,observando atentamente las imgenes que se forman (ver figura D). 3.Traten de producir tonos estables, como notas musicales condistinta intensidad y frecuencia (agudos y graves) y observenatentamente lo que ocurre con las imgenes. 4. Mientras producen untono regular, uno agudo y otro grave, efecta el movimiento con eltubo, como se mues- tra en la figura E, mientras el resto del grupodibuja la imagen que se observa en cada caso. Anlisis a. Qu sucedecon la imagen cuando no produces un tono regular? b. Qu tipo defigura se forma cuando se produce un tono regular, como una notamusical? c. Qu variacin se ve en la imagen cuando se producensonidos ms intensos (fuertes)? d. Al mover el tubo como en lafigura E y observar la imagen que se forma, qu elemento(s) en dichaimagen se asocian con la intensidad y cul(es) con la frecuencia?INVESTIGACIN CIENTFICA A B C D E 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/1009:08 Pgina 29 28. 30 | Unidad 1 INDAGACIN: CARACTERSTICAS DE LASONDAS Cmo se propaga un pulso (perturbacin) a travs de una cuerda?Formen un grupo de cuatro compaeros y/o compaeras. Discutanrespecto a la pregunta planteada, pensando en las cuerdas de unaguitarra o en un cable para tender ropa y traten de responder lapregunta planteada. Elaboren una hiptesis y regstrenla. MaterialesUna cuerda de al menos 3 m de largo. Procedimiento 1. Tomen unextremo de la cuerda y tenlo firmemente a un muro; para ello puedenutilizar un cncamo, aprovechar alguna irregularidad del muro opueden amarrar la cuerda a la manilla de una puerta cerrada. 2. Unestudiante debe tomar la cuerda por un extremo, de manera que ellaquede tensa y paralela al suelo. 3. Pdanle al estudiante querealice un rpido movimiento vertical hacia arriba, volviendo luegoa su posicin inicial. Anoten lo observado. 4. Luego, pdanle alestudiante que repita peridicamente el proceso anterior, es decir,que repita el movi- miento a intervalos iguales de tiempo. Observenatentamente y anoten lo que ocurre. En relacin a lo observado en laexperiencia, respondan a las siguientes preguntas: a. Cmo podrandescribir con palabras lo que ocurre en la cuerda al realizar elprimer movimiento vertical? b. De qu manera se desplaza laperturbacin producida en la cuerda? c. Cul es el medio por el cualse propaga la perturbacin? d. Qu ocurre con el pulso una vez quellega al muro? e. Vuelvan a responder las preguntas anteriores,pero ahora al realizar peridicamente el movi- miento vertical. f.Qu ocurre con la perturbacin si el movi- miento vertical se hace demayor tamao? g. Al aumentar la frecuencia con que se hace vi- brarla cuerda, qu ocurre con la distancia entre pulsos consecutivos? h.Se verific la hiptesis planteada? DESARROLLO DEL CONTENIDO Unidad 1(8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 30 29. El sonido | 31 5. Qu es una onda?En la experiencia anterior pudiste observar cmo una ciertaperturbacin producida en una cuerda se puede propagar por un mediomaterial. Al producir un pulso en la cuerda, este fue capaz deviajar hasta chocar con el muro donde una parte fue absorbida yotra parte fue reflejada. Todos estos fenmenos que ya estudiastepara el sonido: la propagacin, absor- cin y reflexin (junto a otrosms) son caractersticos de las ondas, pero cmo se podra definir unaonda? Observa las siguientes imgenes. Vemos un sistema formado porcinco masas unidas mediante cuatro resortes. Si se ejerce presinsobre la primera, el resorte se comprime, es decir, se produce unaperturbacin similar al caso de la cuerda. Esta perturbacin setransmite a la segunda masa de la derecha, luego al segundoresorte, y as sucesivamente. Es importante hacer notar que luego deuna oscilacin, las masas vuelven a su punto de equilibrio inicial,es decir, en este proceso solo se produce una oscilacin de laspartculas del medio material, pero no un traslado de ellas. Comosabes, la materia que nos rodea est formada por pequeas partculas.Si una partcula comienza a vibrar, aquella pertur- bacin setransmite a la del lado, y as sucesivamente, producindose elfenmeno de la propagacin. Se podra definir una onda como unaperturbacin que se propaga por el espacio y que es capaz detransportar energa de un punto a otro, pero no materia. Un buenejemplo de onda se produce cuando una gota (ver imgenes) cae en unestanque de agua. En este caso, desde el punto en que cae la gota(el centro de la onda se denomina foco), se comienza a propagar laenerga en crculos concntricos, alejndose cada vez ms. Qu tipo demovimiento crees que tendra un objeto que flota en el agua en lascer- canas del foco?, cmo evidenciara el paso de la onda? Pulso:energa que se propaga por el espacio y que produce una ciertaperturbacin. Foco: lugar donde se origina una onda y desde donde sepropaga a otras regiones del espacio. CONCEPTOS CLAVE DESARROLLODEL CONTENIDO 1. Perturbacin. 2. Foco. 3. Propagacin. 1 Unidad FocoUnidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 31 30. 32 | Unidad 1 5.1 Cmo seclasifican las ondas? Las ondas se pueden clasificar segn la formaen que vibran las partculas, y tambin segn su naturaleza, es decir,al tipo de fenmenos que la originan. a. Ondas transversales ylongitudinales En la actividad de la cuerda pudiste observar quelos pulsos se propaga- ban desde el oscilador (tu mano) hasta elmuro, en direccin horizontal; pero cmo se comportan las partculasdel medio? Para determinarlo podras analizar el siguiente dibujo.En una onda transversal, el sentido de propagacin de esta y ladireccin de vibracin de las partculas del medio sonperpendiculares. En una onda longitudinal, el sentido de propagacinde la onda y la direccin de vibracin de las partculas coinciden. b.Ondas mecnicas y electromagnticas Qu tienen en comn las ondassonoras que se propagan a travs del aire, las que se producen en lasuperficie del agua, en una cuerda, o el pulso que se mueve en unresorte? Que todas se propagan a travs de un medio material formadopor partculas. A estas ondas se les deno- mina ondas mecnicas. Peroexisten acaso ondas que se puedan pro- pagar en ausencia de unmedio material?; has pensado, por ejemplo, cmo los satlites soncapaces de retransmitir las ondas de radio si en el espacio no haymedio material? Este tipo de ondas que no necesitan un mediomaterial para propagarse se denominan ondas electromag- nticas.Ejemplo de ellas son las ondas que emite un telfono celular o uncontrol remoto. Hay telescopios capaces de captar ondaselectromagnticas emitidas por cuerpos como galaxias o estrellas,muchas veces a millones de aos luz de distancia. A travs delestudio de las ondas recibidas se pueden determinar cualidades delos cuerpos estudiados, como su composicin qumica o su temperatura.CONEXIN CON ASTRONOMA DESARROLLO DEL CONTENIDO Vibracin VibracinPropagacin Propagacin Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 32 31. Elsonido | 33 c. Ondas viajeras Cada vez que omos el timbre queanuncia el recreo en el colegio, o la msica en una casa cercana, esporque las ondas que transportan ener- ga sonora han logrado viajardesde la fuente hasta nuestros odos. Lo mismo ocurre cuandosentimos las oscilaciones de un temblor: se trata en ese caso deondas ssmicas que se han propagado desde el epicen- tro hastanuestra posicin. Estas ondas que se propagan libremente por elespacio, transportando energa, se denominan ondas viajeras, y pue-den ser mecnicas o electromagnticas, transversales olongitudinales. En este tipo de ondas sucede que la amplitud vadisminuyendo a medida que se aleja de su fuente, de la misma maneraque un sonido se hace cada vez ms dbil con la distancia. d. Ondasestacionarias Este tipo de ondas se forman cuando una onda viajerase refleja inver- tida con respecto de la onda incidente, en elextremo de un determi- nado medio; de esa manera, ambas ondas sesuperponen (la original y la reflejada), generando una onda queparece estar fija. Entonces, cada partcula del medio oscila con unaamplitud fija. Este fenmeno puede ocurrir en cuerdas vibrantes,como las del piano o la guitarra, y en tubos como el caso de unaflauta o el tubo de un rgano. En las ondas esta- cionarias laenerga no se propaga libremente, sino que est confinada en unadeterminada regin del espacio. e. Ondas armnicas En una onda deeste tipo, los pulsos que producen la vibracin se su- ceden con unperodo fijo, es decir, estn espaciadas con igual intervalo detiempo, como si dejsemos caer gotas de agua (de igual masa) sobreun estanque cada un segundo: se produciran ondas circulares que po-dramos denominar armnicas. Este tipo de ondas tambin se denomi- nanperidicas, por tener un perodo caracterstico, como el caso de unsonido producido por un diapasn que genera un tono puro, con unafrecuencia que es siempre la misma. Una onda ssmica viaja desde elepicentro hasta el lugar donde es registrada. Entre ms lejosestemos de la fuente, ms dbil se sentir la vibracin. Una ondaestacionaria se produce en la cuerda de un instrumento musical. Laclasificaciones que hemos hecho de ondas no son excluyentes entres; por ejemplo, una onda puede ser transversal, armnica yestacionaria, como la onda estacionaria del instrumento musical dela fotografa; o bien longitudinal, armnica y mecnica, como el tonopuro producido por un diapasn. DESARROLLO DEL CONTENIDO Si la gotade agua tiene siempre la misma masa y cae a intervalos iguales detiempo, se observa una oscilacin armnica, con montes y vallesequidistantes en el espacio. Ten presente que: epicentro 1 UnidadUnidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 33 32. 34 | Unidad 1 5.2Elementos de una onda a. Elementos espaciales de una onda Longitudde onda En la actividad anterior pudiste observar que cuando sedejan caer gotas con un cierto intervalo de tiempo, se producendistintos crculos concn- tricos consecutivos; estos se denominanfrentes de onda. Cuando se trata de vibraciones peridicas, se puedeapreciar que la distancia es siempre la misma. A esa distancia,entre dos frentes de onda consecutiva, se le llama longitud de onday la abreviaremos con la letra griega (lambda). La longitud de ondase mide en metros y es una caracterstica de todas las ondas. En laActividad 9 observaste tambin que si mayor es la frecuencia de unavibracin, menor ser su longitud de onda, es decir, estarn ms cer-canos entre s los frentes de onda. Si aplicas esto ltimo al caso delas ondas sonoras, qu podras decir de la longitud de onda de lostonos graves en comparacin con la de los agudos? DESARROLLO DELCONTENIDO Formen un grupo de trabajo de tres o cuatro integrantes yrenan los siguientes materiales: un gotario, hojas blancas, unacubeta transparente (puede ser una ensaladera de vidrio o unafuente de plstico, es im- portante que el fondo sea plano), unalmpara o linterna, y un cronmetro. 1. Pongan dos libros sobre losextremos del papel blanco y sobre ellos la cubeta. Agrguenle aguahasta la mitad. 2. Produzcan pequeas perturbaciones en el agua conel dedo, mientras buscan la posicin de la lin- terna en que mejorse visualicen esas perturbaciones sobre el papel blanco. Considerenque bajo ciertas circunstancias podra ser ms til la luz del sol. 3.Una vez que puedan observar con claridad las perturbaciones,esperen que el agua est en calma y dejen caer una gota en el centrode la cubeta. Describan la manera en que se propaga la perturbacin.4. Luego, repitan lo mismo, pero dejando caer gotas cada unsegundo. Qu ocurre con las ondas?, de qu manera se comportan?Describan. 5. Finalmente, repitan el procedimiento, pero dejandocaer gotas cada dos segundos. Qu ocurre con la distancia que hayentre los crculos que se forman?, qu relacin podran establecerentre el per- odo de la oscilacin y la distancia entre los crculos?6. En los casos observados anteriormente, se observan variacionesen la velocidad con la cual se pro- pagan las ondas? ANALIZARActividad 9 ONDAS EN UNA CUBETA DE AGUA Unidad 1 (8-49) 6/7/1009:08 Pgina 34 33. El sonido | 35 Amplitud de onda La amplitud deuna onda representa la elongacin mxima que alcan- zan las partculasen un determinado medio en su vibracin. Por ejem- plo, en lavibracin de una masa unida a un resorte, la amplitud de dichomovimiento est dado por la distancia que recorre la masa desde suposicin de equilibrio (ver dibujo). Mientras mayor es la amplitudde una onda, mayor es la energa que se propaga. En el dibujo, laamplitud se indica con la letra A. Una onda puede ser representadamediante el siguiente grfico, en donde se pueden distinguir laamplitud y la longitud de onda. b. Elementos temporales de una ondaLos elementos temporales de una onda, que corresponden al perodo yla frecuencia, tienen relacin con el tiempo; el primero se mide ense- gundos, y la frecuencia en Hz. La frecuencia y el perodo sepueden re- presentar en un grfico donde el tiempo, medido ensegundos, se represente en el eje X, y la amplitud de la onda en eleje Y. Entonces, la altura dara la amplitud, y la distancia entredos mximos sera el tiempo que transcurre en un perodo completo deoscilacin, es decir, represen- tara el perodo de la onda. Como elvalor recproco del perodo es la frecuencia, tambin se podradesprender del grfico. Cmo se podra representar la velocidad depro- pagacin en un grfico?, qu magnitudes debera llevar en losejes? Y(m) t(s) A Posicin de equilibrio Y(m) x(m) A A DESARROLLODEL CONTENIDO La magnitud fsica que se mide en este caso(relacionada con la oscilacin) es el tiempo. Para ello se puedeutilizar un cronmetro. 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina35 34. Generalmente, se confunde la rapidez con la cual se pro-duce la oscilacin (frecuen- cia), con la rapidez con que se propagasu efecto, la onda, sobre un determinado medio. La imagen muestraun colibr que bate rpida- mente las alas, si nos acer- cramos a loiramos un zumbido (tono) producto de la frecuencia con que muevelas alas, pero crees que el sonido demorara lo mismo si fuese capazde realizar ese movimiento bajo el agua? 36 | Unidad 1 6. Rapidezde propagacin de una onda La rapidez es una de las magnitudesfsicas ms importantes. Ella da la razn de cambio entre la distanciarecorrida y el tiempo. La unidad fsica de la rapi- dez en elSistema Internacional de Unidades es metro/segundo (m/s). Nosinteresa saber con qu rapidez se propaga una onda. Si consideramosla definicin general de rapidez como: Donde d es la distancia, y tes el tiempo empleado en recorrer esa distan- cia. En el caso deuna onda, las caractersticas espaciales y temporales que podramosconocer son su longitud de onda y su perodo respectivamente. Comoel perodo es el tiempo que separa dos frentes de onda consecu-tivos, la rapidez de propagacin de una onda la podemos determinarde la siguiente manera: Donde se mide en metros y T en segundos.Ahora bien, como el perodo est ligado de manera inversaproporcional con la frecuencia (ver ecuacin 1 pg. 27), al remplazarel perodo por 1/ f, nos queda: (ecuacin 2) Donde la rapidez se mideen m/s, la longitud de onda en m, y la frecuen- cia en Hz. Tenpresente que la rapidez de una onda la determinan las propiedadesdel medio por el cual se propaga. Hemos visto, por ejemplo, que elsonido viaja ms rpidamente en el agua que en el aire; segn loanterior, qu pasara con la rapidez de una onda sonora, si la fuentesonora comenzara a vibrar ms rpido? La rapidez de propagacin nocambiara, pues per- manece constante para ese medio. Entonces, sila frecuencia aumenta, el valor de la longitud de onda () disminuyepara que el producto de la ecuacin 2 se mantenga sin variacin. v dt = v T = v f= QU SUCEDERA SI? La luz tambin se comporta como unaonda cuya rapidez es de 300.000 km/s, qu sucedera si la luz y elsonido tuvieran la misma rapidez, esto es 340 m/s aproximadamente?Ahora responde: qu sucedera si la luz y el sonido tuvieran unarapidez de 300.000 km/s? DESARROLLO DEL CONTENIDO Un colibr escapaz de mover las alas ms de 70 veces por segundo. Ten presenteque: Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 36 35. El sonido | 37 T f fT Hz = = = s = 1 1 1 2 0 5 , v f= v f cm Hz v m Hz v m s = = = = 20 5 0 02 0 5 0 01 , , , , DESARROLLO DEL CONTENIDO EJEMPLO RESUELTO4 Anlisis de una onda cuadrada La imagen que aparece a continuacin,simula una onda cuadrada que podra verse en la pantalla de unoscilosco- pio. Cada cuadradito representa una distancia de uncentmetro y la onda demor 10 segundos en realizar el recorrido quese muestra a una velocidad que no registr variaciones. 1. Cul es elperodo de la onda representada en la figura? Sabemos que el perodoes el tiempo que transcurre en un ciclo completo. La informacin quetenemos de tiempo es que el dibujo se complet en la pantalla en 10segundos; como la pantalla est dividida en 10 cuadraditos iguales,podemos asignar 1 segundo para cada uno. De la imagen se puedededucir que un ciclo completo se realiza en 2 cuadraditos (un ciclose determina por la distancia entre dos puntos seguidos que estn enla misma fase); entonces tendremos que el perodo de la onda es de 2segundos. 2. Cul es la frecuencia de la oscilacin? Para determinarla frecuencia, se puede utilizar la ecuacin 1, ya que conocemos elvalor del perodo: Entonces la frecuencia de la onda es de 0,5 Hz.3. Con qu rapidez se propaga la onda? Para determinar la rapidez,podramos utilizar la ecuacin 2, que relaciona la rapidez depropagacin con la longitud de onda y su frecuencia: Parautilizarla, nos falta saber el valor de la longitud de onda , laque se puede determinar directamente observando el dibujo. Comocada cuadradito equivale a un centmetro, la longitud de la ondaequivaldra a 2 cm o 0,02 m, expresado en unidades del SistemaInternacional: Luego, la rapidez de la onda es de 0,01 m/s. 1Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 37 36. AS APRENDO MEJORResponde las siguientes preguntas en tu cuaderno. a. Cul fue eltema que te cost ms aprender? b. Qu hiciste para solucionar esto?SNTESIS 38 | Unidad 1 Copia y completa en tu cuaderno lassiguientes oraciones: a. Las ondas se pueden definir como una quese propaga en y que transporta de un lugar a otro, pero no materia.b. Hay distintos criterios para clasificar las ondas; segn ladireccin en que ocurren las vibraciones, en relacin con la direccinde propagacin de la onda, se pueden distinguir ondas y ondas . c.Otro criterio de clasificacin es su forma de propagacin; se llamaondas a aque- llas que viajan libremente por el espacio, mientrasque aquellas que se confinan en una regin del es- pacio sedenominan ondas . d. La longitud de onda (), la ( f ) y la (v) deuna onda se relacio- nan entre s por la ecuacin v = f . Elabora oconstruye un mapa conceptual con los distintos tipos de ondas quese estudiaron en esta seccin. EVALUACIN DE PROCESO 1. Busca dosejemplos de ondas viajeras y dos de ondas estacionarias. 2. Untimbre vibra con una frecuencia de 50 Hz. Su sonido se propaga porel aire con una rapidez de 340 m/s. Cul es su perodo y su longitudde onda? 3. Una onda que presenta 6 ciclos se propaga a lo largo deuna cuerda, empleando 18 s en reco- rrer 3 m de longitud. Calculasu longitud de onda, su frecuencia, su rapidez y su perodo.INTEGRANDO CONOCIMIENTOS Unidad 1 (8-49) 31/8/10 17:27 Pgina 38 37.El sonido | 39 7. Propiedades de las ondas Hasta ahora hemosestudiado algunas propiedades de las ondas, como la propagacin yreflexin, tambin cmo se clasifican segn la direccin de su vibracin,su naturaleza, o, su propagacin. A continuacin, estudiaremos otraspropiedades, poniendo especial nfasis en ejemplos relacionados conel sonido. 7.1 Difraccin En la actividad anterior, pudimos com-probar que se pueden escuchar sonidos desde el exterior a travs deaberturas; por ejemplo, una puerta entreabierta o la ranura de unmuro (ver figura). Esto ocu- rre por una propiedad de las ondascono- cida como difraccin. La difraccin se produce cuando lalongitud de la onda, en este caso la longitud de onda del sonido,es menor o similar a la longitud de la aber- tura, en este punto(la abertura) es donde la onda se difracta, posibilitando que ladi- reccin de propagacin se ample. DESARROLLO DEL CONTENIDO Formengrupos de dos personas. Debern utilizar el sector de la puerta dela sala de clases o de cualquier habitacin. Procedimiento 1. Una(o)debe ubicarse en el interior de la sala, apegado(a) a la muralla, amedio metro de la puerta abierta. 2. El otro(a) debe ubicarse fuerade la sala, a dos metros de distancia del espacio de la puerta.Luego debe emitir el sonido de una vocal. Intercambien roles y,luego, respondan las siguientes preguntas: a. Se escucha el sonidode la voz de la otra persona? b. Cmo creen que ocurrir aquello sila onda sonora no est en lnea recta con la persona que escucha? c.Realicen un dibujo de cmo creen que se comportan las ondas sonorasen el fenmeno recin observado. INFERIR Actividad 10 PONIENDOOBSTCULOS AL SONIDO 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 3938. 40 | Unidad 1 7.2 Refraccin de ondas Si dos botes estn en unlago separados por varios metros, es posible que los tripulantespuedan escuchar sonidos del otro bote lejano (ver dibujo A). Cmopodras explicar la situacin ilustrada? Recuerda que la rapidez delsonido se modifica si cambia la temperatura del medio, en el aire,por ejem- plo, viaja ms rpido si mayor es su temperatura. En unlago, la tempera- tura en las cercanas del agua es menor; esto haceque el sonido cambie su trayectoria, volviendo a las cercanas delagua, cosa que no ocurre en tie- rra (ver dibujo B). Este fenmenose llama refraccin de una onda sonora. 7.3 Superposicin de ondas Enla actividad anterior, escuchando atentamente el sonido que seproduce en el patio o en un lugar muy concurrido, verificamos lacapacidad de las ondas sonoras de superponerse, sin perder lascualidades de cada una. Esta es una propiedad de los fenmenosondulatorios, y se conoce como su- perposicin de ondas. DESARROLLODEL CONTENIDO Realiza el siguiente experimento: en la hora delrecreo ubcate en algn lugar del patio y cierra los ojos. Responde:a. Puedes distinguir las voces de varios compaeros al mismo tiempo?b. Por qu crees que no se mezclan entre s, o se destruyen si sonondas sonoras? OBSERVAR-INFERIR Actividad 11 SUPERPOSICIN DELSONIDO A B Cuando se construye un edificio funcional (con undeterminado propsito), el diseo depender mucho de las condicionesfsicas del recinto. Por ejemplo, al construir una sala deconciertos se debe tener presente que la temperatura se eleva enlas capas ms altas, debido a que el aire caliente tiende a subir,aquello producir refraccin del sonido (se desviar), lo que influiral decidir dnde ubicar los asientos. CONEXIN CON ARQUITECTURAUnidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 40 39. El sonido | 41 8. EfectoDoppler Algo similar a lo observado en la actividad anterior sepuede apreciar al ubicarse en la calle, en un lugar donde transitenvehculos; notars que el tono del sonido sufre una variacin si elmvil se acerca a tu posicin o si se aleja de ti. Mucho ms notoriosera el efecto si tuvieras la oportunidad de escuchar unaambulancia que lleva su sirena encendida; notars que a medida quese acerca, el tono se hace ms agudo, mientras que cuando se alejade ti, el tono se hace ms grave. Qu ocurre, entonces, con la fre-cuencia del sonido? La frecuencia del sonido percibida por unapersona en reposo cambia durante el desplazamiento de la fuente quelo genera. Sin embargo, en los casos descritos sabemos que lafrecuencia del sonido se mantiene constante. Este fenmeno, en quela frecuencia de la onda sufre un cambio producto del movimientorelativo que hay entre la fuente so- nora y el receptor, sedenomina efecto Doppler, y ocurre para todo tipo de ondas. Imaginauna fuente de ondas arm- nicas que se propagan de forma cir- culary concntrica por el agua; si de pronto la fuente se comenzara amover, los crculos se comenzaran a apretar en el sentido de avancede la fuente, mientras que en la di- reccin opuesta, los crculos sedis- tanciaran. Qu ocurre con la longitud de onda en cada caso? Alavanzar, las ondas se comprimen, disminuyendo su longitud de onda;lo opuesto ocurre en la regin posterior al pato. DESARROLLO DELCONTENIDO Formen un grupo de cuatro o cinco integrantes. Necesitarnun celular como fuente emisora de sonido. 1. Hagan que el celularemita el tono ms regular que tenga. 2. Pongan el celular a la mximadistancia del odo que permita el brazo. 3. Muevan rpidamente elcelular, acercndolo y alejndolo del odo. 4. Describan cmo percibenel sonido. OBSERVAR-DESCUBRIR Actividad 12 MOVIENDO UNA FUENTESONORA 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 41 40. 42 |Unidad 1 [email protected] En la siguiente pgina web podrs visualizarel comportamiento de las ondas emitidas por un cuerpo al que lepuedes variar su veloci- dad. http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/more_stuff/flashlets/do ppler.htm Observa lo que ocurrecon las ondas cuando el cuerpo alcanza su velocidad mxima. CONEXINCON ASTRONOMA En la Astronoma, y especficamente en la Cos- mologa(estudio del cosmos), el efecto Doppler ha servido para realizargrandes descubrimientos, como la expansin del Universo. Como la luzest formada por ondas, cuando estas se alejan del observador sufrenun aumento de su longitud de onda, lo que en la regin visible de laluz se traduce en un acercamiento al rojo. Como la si- tuacinanterior ha sido observada en todas las galaxias, ha servido deprueba para verificar la ex- pansin del Universo. Como estecomporta- miento de la luz es tan difcil de observar a simplevista, se hace mediante un instrumento llamado espectroscopio, conel cual se analiza la informa- cin (luz) que llega de galaxias,estrellas, nebulo- sas u otras fuentes espaciales. Quinesdescribieron el efecto Doppler? El efecto Doppler fue enunciado porprimera vez por el austraco Christian Doppler, quien lo propuso enel ao 1842 en una monografa titulada Sobre el color de la luz enestrellas binarias y otros astros. Su hiptesis fue investigada en1845 para el caso de ondas sonoras por el cientfico holandsChristoph Diederik, confirmando que el tono de un sonido emitidopor una fuente que se aproxima al observador es ms agudo que si lafuente se aleja. El fsico francs Hippolyte Fizeau descubri,independientemente, el mismo fenmeno en el caso de ondaselectromagnticas, en 1848, por lo que en Francia este efecto seconoce como efecto Doppler-Fizeau. En el siguiente esquema serepresenta el efecto de las ondas sonoras de un vehculo conrespecto a dos observadores. DESARROLLO DEL CONTENIDO Unidad 1(8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 42 41. CIENCIA – TECNOLOGA – SOCIEDADAviones supersnicos De acuerdo al efecto Doppler, una fuente so-nora en movimiento genera una deformacin en las ondas que produce,comprimindose en el sentido de su avance y distancindose en suparte posterior. Si ese fenmeno se lleva al ex- tremo en que lafuente sonora se mueve a la misma rapidez que las ondas queproduce, en- tonces las ondas se apilan una frente a otra como enla figura A. En el caso de un avin que se desplaza por el aire,esto ocurre cuando su velocidad es de 340 m/s; en aviacin a esavelocidad se la denomina mach 1. Cuando un avin viaja a esavelocidad, siente una gran oposicin a su avance, pues las ondasapiladas crean perturbaciones de aire en las alas. Durante algntiempo se crey que esa velocidad constitua una barrera del sonido;pero, es fcilmente observable, por ejemplo, en las embarcaciones,que aquel lmite se puede superar, por eso los constructores deaviones se abocaron a mejorar el diseo y a im- primirles una mayorpotencia para poder su- perar ese lmite. Cuando aquello se logra,se generan ondas de choque en todas las direcciones que transportanuna gran canti- dad de energa, producindose un estampido sonoro. Enese momento se dice que se rompe la barrera del sonido. El patrn deondas que se produce mientras el avin se desplaza es como el de lafigura B; patrones como esos son fcilmente observa- bles en lanchasque se desplazan en una baha, o en insectos que caminan sobre elagua. Esa forma en V es conocida como onda de proa. Cuando unaembarcacin o un avin se mueve en esas circunstancias, lo hace deuna manera mucho ms llana, pues no siente la perturba- cin de lasondas que produce. En la actuali- dad, son muchos los aviones quepueden viajar a velocidades supersnicas; por eso es que cuandovemos uno de ellos, nos parece que el sonido no proviene de suimagen, sino desde un punto situado ms atrs. Fuente: ArchivoEditorial. En relacin a la lectura, responde las siguientespreguntas: 1. En qu condiciones una fuente sonora que se desplazaexperimenta mayor oposicin al avance? 2. En qu consiste elestampido sonoro? 3. En qu consiste una onda de proa? 4. Deja deocurrir el efecto Doppler cuando se rompe la barrera del sonido? Elsonido | 43 DESARROLLO DEL CONTENIDO A B 1 Unidad Unidad 1 (8-49)6/7/10 09:08 Pgina 43 42. 44 | Unidad 1 SNTESIS DE LA UNIDAD Elsonido es percibido con una serie de caractersticas: Timbre: es loque permite diferenciar un instrumento musical de otro, pese a queemitan una misma nota. Intensidad: se relaciona con el volumensonoro y con la amplitud de la vibracin que genera el sonido. Tono:se relaciona con la frecuencia con que un sonido es emitido ygeneralmente distinguimos las frecuencias agudas y graves. Almoverse la fuente, se produce una deformacin de las ondas que seemiten, llamado efecto Doppler. Todo sonido se origina a partir deun proceso vibratorio En el siglo V a. C. Pitgoras plantea que elsonido es una vibracin del aire. Estudi la vibracin de las cuerdas.582-507 a. C. Joseph Sauveur, fundador de la acstica musical, acomienzos de 1700 investig sobre los lmites de la audicin humana. Acomienzos del siglo XVII se encuentra el apogeo de la Ilustracin,se rene el conocimiento en enciclo- pedias. Hay una gran efer-vescencia intelectual. 1653-1716 Aristteles, en el siglo III a. C.rene los conocimientos exis- tentes sobre la acstica en un librollamado De Audibilibus. La antigua Grecia fue la cuna de lafilosofa, de la matemtica y de la ciencia en general. Exista ungran inters por el conocimiento. 384-322 En el siglo XVI, GalileoGalilei estudi, mediante pndulos, la relacin entre la frecuencia yel perodo. A fines del siglo XV comienza el Re- nacimiento, surgenlas ciudades como centros de cultura.1564-1642 LNEA DE TIEMPOUnidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 44 43. El sonido | 45 SNTESIS DELA UNIDAD Para un observador que escucha mientras la fuente deemisin sonora se aleja de l, el sonido se percibe ms grave. Para unobservador que escucha mientras la fuente de emisin sonora seacerca a l, el sonido se percibe ms agudo. bservador queescuchabservador que escuchvador que escucador que escuador queescdd ador que escuchd A El sonido, como es una onda, puede ser Lasprincipales caractersticas espaciales de una onda son: la amplitud(A), y la longitud de onda (). representado grficamente. A mediadosde 1700, Euler plantea matemticamente el fenmeno de superposicin deondas. A fines del siglo XVIII la Revolucin Industrial secaracteriz por progresos tcnicos y cientficos.1707-1783 Hertz, afines del 1800, demostr la existencia de ondas electromagnticas einvent el primer aparato que transmite ondas de radio. En la pocamoderna hay un gran desarrollo de tecnologa. Se facilitan lascomunicaciones. Se estudia la materia a pequeas escalas (Fsicacuntica) y a grandes escalas (Cosmologa). 1857-1894 A comienzos del1800, Chladni estudi las vibraciones segn los tonos musicales, lavibracin de las cuerdas y la propagacin del sonido en cuerposslidos y medios gaseosos. Al comienzo del siglo XIX la agriculturadeja de ser la base de la economa, siendo ahora elcomercio.1756-1827 LNEA DE TIEMPO 1 Unidad Unidad 1 (8-49) 6/7/1009:08 Pgina 45 44. 46 | Unidad 1 Cunto avanc? Regresa a las pginas10 y 11 y resuelve nuevamente la evaluacin diagnstica. Cmo fuerontus logros con respecto a la evaluacin anterior? Comprendo Resuelvelas siguientes preguntas. 1. El esquema muestra una cmara de vaco,es decir, un montaje experi- mental que permite extraer el aire desu interior. Si se pone un timbre elctrico dentro del aparato y vasacando el aire que lo rodea, cmo se escuchar el sonido del timbrea medida que pasa el tiempo? Explica. 2. Qu elementos sonnecesarios para convertir una pieza comn en un estudio de grabacinde buena calidad? 3. Por qu se escucha distinta la voz propia alescucharla en una grabacin? 4. Supn que la lnea curva de la figuraes una fotografa de parte de una cuerda muy larga en la cual se estpropagando una onda. A qu corresponde la longitud de onda? a. A lalongitud del trazo PQ. b. A la longitud del trazo QR. c. A lalongitud del trazo PU. d. A la longitud del trazo ST. e. Ninguna delas longitudes anteriores. 5. Un tren toca su bocina y se mueve conuna velocidad constante, acercndose a un observador esta- cionario.Qu escucha el observador a medida que el tren se acerca, encomparacin con el maquinista del tren? a. Un tono gradualmente msagudo. b. Un tono constante, ms agudo. c. El mismo tono. d. Un tonoconstante, ms grave. e. Un tono gradualmente ms grave. 6. Unasirena de bomberos genera ondas que se propagan en el aire. Cul delas siguientes asevera- ciones es verdadera? a. Las ondas sontransversales y viajan con la misma rapidez en todas lasdirecciones. b. Las ondas son longitudinales y viajan con mayorrapidez en una direccin ms que en las otras. c. Las ondas sonlongitudinales y viajan con la misma rapidez en todas lasdirecciones. d. Las ondas son transversales y viajan con mayorrapidez en una direccin ms que en las otras. e. Las ondas puedenser longitudinales o transversales que viajan a igual rapidez entodas las direcciones. EVALUACIN FINAL Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08Pgina 46 45. El sonido | 47 Analizo 1. En relacin a la figura queaparece a continuacin, responde las siguientes preguntas: a. Si enel eje horizontal se representa el tiempo, cunto ha transcurridopara los dos casos? b. Si las ondas representan sonidos, cul de lasdos se percibir con un tono ms agudo? c. Qu representa la distanciahorizontal entre dos mximos consecutivos? d. Qu ocurrira con ladistancia anterior, en caso de que la onda entre a un medio dondesu velocidad de propagacin sea menor? 2. Una onda sonora sale delagua al aire. Al respecto, cul de las siguientes opciones escorrecta? a. La rapidez de propagacin de la onda aumenta al salirdel agua. b. La longitud de la onda aumenta al salir del agua. c.La frecuencia de onda aumenta al salir del agua. d. El perodo de laonda, al propagarse por el aire, es mayor que cuando se propag porel agua. e. La rapidez de la onda disminuye al salir del agua.(Adaptada del documento oficial de la Universidad de Chile,preparado por el Demre para el proceso de admisin 2005). 3. Laimagen que aparece a continuacin es lo que se vera en unosciloscopio, producto de captar dos seales diferentes al mismotiempo. Cada cuadrito representa horizontalmente 1 s yverticalmente 0,5 cm. En relacin a lo anterior, contesta lassiguientes preguntas: a. Se podra decir que se trata de ondasarmnicas? Explica. b. Si se tratara de sonidos, cul se escuchara msgrave? c. Cul de los dos se escuchara ms fuerte? d. Debido a quprincipio es que el odo podra distinguirlos como dos sonidosdiferentes? 4. Una persona parada en el anden de la estacin detrenes, observa un tren que pasa sin detenerse tocando la bocina.Cmo vara la longitud de onda del sonido percibido por la persona amedida que el tren se va alejando? EVALUACIN FINAL 1 Unidad Unidad1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 47 46. 48 | Unidad 1 Aplico 1. Si untrueno se escucha 20 s despus de observado un relmpago, a qudistancia se produce la tor- menta elctrica, si la rapidez de laluz es de 300.000 km/s? 2. En el siglo XIX, la gente pona su odosobre los rieles del ferrocarril para saber si vena algn tren.Propn dos hiptesis que expliquen lo aseverado en el prrafoanterior. 3. Los datos obtenidos de un experimento en que se variel perodo para determinar la relacin de este con la frecuenciafueron: De la tabla anterior se puede inferir que: I. al aumentarel perodo aumenta la frecuencia. II. al aumentar el perododisminuye la frecuencia. III. el perodo fue la variabledependiente. IV. la frecuencia fue la variable dependiente. a. SoloI. b. I y III. c. I y IV. d. II y III. e. II y IV. 4. En la figurase ilustran dos pulsos viajeros cuadrados que se propagan por elmismo medio en sentidos contrarios, con una rapidez de 20 cm/s.Dibuja en tu cuaderno, o en un papel milimetrado, la ondaresultante en los instantes 1s, 1,5s y 3s, poste- riores al que semuestra en la figura (tiempo 0): Frecuencia (Hz) Perodo (s) 1 1 0,62 0,35 3 0,25 4 0,21 5 EVALUACIN FINAL Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08Pgina 48 47. El sonido | 49 PROYECTO CIENTFICO – UNIDAD 1Construccin de un instrumento musical Antecedentes Como sabes,muchos elementos que te rodean emiten sonidos, por ejemplo:elsticos tensados o hilos de plstico; lminas metlicas; tubos demetal, plstico o madera. Tambin hemos visto que para aprovecharmejor el sonido, se puede usar una caja de resonancia, que podraser perfectamente un tarro, una caja de zapatos u otro recipienteque permita orientar el sonido y evitar su rpida atenuacin. Tomandoen cuenta todos estos antecedentes, te proponemos fabricar tupropio instrumento musical. 1. Objetivo Construir un instrumentomusical que presente una determinada escala de tonos. 2.Planificacin Siempre es bueno utilizar un mtodo para resolver unproblema, una manera de ordenar tu trabajo es plantendote pequeasmetas, tales como: – elegir cul va ser la naturaleza de tuinstrumento (lmina vibrante, cuerdas o tubos). – determinar cul delas variables (longitud, tensin, grosor, etc.) corresponde a lavariable que deter- mina el tono del sonido. – indicar otrasmagnitudes fsicas que puedan influir y que debes controlar para quesean constantes durante la investigacin. – establecer una manerapara controlar la frecuencia de los sonidos originados, de manerade obte- ner algo parecido a una escala musical. Tambin puedescontestar las preguntas: – de qu depende la caracterstica del tonopara la fuente sonora elegida? – cmo vas a fijar las distintasfuentes sonoras para lograr una escala? – qu material convieneutilizar como caja de resonancia?, por qu? – dnde y cmo registrarsla informacin? 3. Ejecucin Una vez planificado el trabajo, puedesrealizar la experiencia, teniendo especial cuidado en la manipula-cin de los materiales, al igual que en otros factores que puedanincidir y que no habas pensado. Re- gistra tus resultados. 4.Evaluacin y anlisis Una vez finalizado el instrumento musical,evalalo, por ejemplo, a travs de una pauta de cotejo donde secompare lo esperado con lo logrado. Escribe un informe en queexpliques con detalle el funciona- miento del instrumento y losproblemas que debiste sortear para construirlo. 5. Proyeccin Piensaen una posible ampliacin de tu proyecto, considerando, por ejemplo,las magnitudes fsicas que permanecieron constantes y que ahorapueden pasar a ser variables. Unidad 1 (8-49) 6/7/10 09:08 Pgina 4948. La luz Unidad 2 50 | Unidad 2 Quizs el sentido ms importantepara los seres humanos es el de la vista, mediante su usodistinguimos la forma y el color de los objetos, podemos estimar ladistancia a la que se encuentran o si estn en movimiento. Todo loanterior de vital importancia para la sobreviven- cia. Pero, adems,nos permite apreciar la belleza de la naturaleza y de las obras dearte, con lo cual nos abre las puertas al goce esttico vi- sual. Elestudio de la naturaleza de la luz, su comportamiento y su in-teraccin con los objetos se remonta a miles de aos. En Fsica sedenomina ptica al estudio de la luz. En esta unidad, resumiremosparte importante del conocimiento de la ciencia sobre la luz, yalgunas de sus aplicaciones ms importantes. Unidad 2 (50-89) 6/7/1009:11 Pgina 50 49. La luz | 51 ACTIVIDAD INICIAL APRENDERS A: Enestas pginas se presentan una serie de fotografas. Renete con unacompaera o compaero y trabajen en las siguientes actividades: 1.Observa cada una de las imgenes y elabora una lista de loselementos comunes que encuentras entre ellas, desde el punto devista de la luz. 2. Identifica en cada fotografa , los elementosque generan luz y elementos en los cuales la luz proviene de otrafuente. 3. De dnde proviene la luz en cada uno de los casos? 4. Enqu fotografas se reconocen algunas propiedades de las ondas que sepueden aplicar a la luz? 5. Respecto a ambas fotografas, la luz decul de las fuentes debe recorrer una mayor distancia para llegar aun observador. Reconocer que la luz puede ser entendida a travs deun modelo ondulatorio y que, por lo tanto, tiene todos loscomportamientos asociados a las ondas, como propagacin, reflexin,refraccin y difraccin, entre otras. Asociar fenmenos luminosos dela experiencia cercana, como el arco iris o las imgenes que formaun espejo. Analizar comparativamente la reflexin en espejos planosy espejos curvos. Analizar comparativamente la refraccin en lentesconvergentes y lentes divergentes. Asociar los avances de la pticacon su aplicacin en telescopios, microscopios, calefactores y otrosartefactos importantes. Identificar problemas, hiptesis yprocedimientos experimentales. Interpretar datos empricos con lafinalidad de probar o desechar hiptesis. Unidad 2 (50-89) 6/7/1009:11 Pgina 51 50. EVALUACIN DIAGNSTICA 52 | Unidad 2 1. Explica quentiendes por: electrones, protones y neutrones, y cules son suscaractersti- cas principales. 2. Una persona hace figuras consombras que producen sus manos en una pantalla, para aquello esnecesario que: 3. 4. Una persona se protege del sol con unasombrilla, ello es posible porque la luz se podra comparar con: Culo cules de las alternativas piensas que da una mejor respuesta? 5.Menciona las caractersticas que conoces de las ondas. 6. Dnde creesque se origina la luz? La pantalla est entre la fuente de luz y lasmanos. La fuente de luz est entre las manos y la pantalla. Lasmanos estn entre la pantalla y la fuente de luz. Exista una fuentede luz en la pantalla. A B C D Una lluvia de pequeas pelotitas queprovienen del sol. Una emisin de partculas oscuras que salen de lasombrilla. Rayos que provienen del sol y que viajan en lnea recta.Una sustancia que est presente en todo el aire y que es absorbidapor la sombrilla. A B C D Respondeentucuaderno Unidad 2 (50-89)6/7/10 09:11 Pgina 52 51. EVALUACIN DIAGNSTICA La luz | 53 7. Sicolocas un lpiz en un vaso de agua, este pa- rece quebrarse en ellmite del agua con el aire. Tendr este fenmeno algo que ver con loque ocurre en una lupa? 8. De qu manera se podra relacionar laforma en que se propaga una onda, con la forma en que lo hace unapartcula? Piensa en ambos casos y elabora una hiptesis. 9. Un

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