Tema 6. Otras formas de transmitirse la energía; el sonido.

  
   

1. El sonido y su percepción.
          1.1. Qué importancia tiene el sonido en nuestras vidas.
          1.2. La propagación del sonido
         1.3. La reflexión del sonido
         1.4. Las ondas sonoras transmiten energía
         1.5. El sonido transmite información
         1.6. Cualidades del sonido
         1.7. Explicación de las cualidades del sonido
         1.8. Anatomía del oído
         1.9. ¿Qué sonidos podemos percibir?
2 Utilización tecnológica del sonido. Contaminación acústica
         2.1. La captación del sonido
         2.2. Conservación y reproducción del sonido
         2.3. El sonar
         2.4. La contaminación acústica
Presentación PowerPoint. Luz y sonido. ¿Nos engañan nuestros sentidos?
Actividad 27 página 117.
Figura 1. El sonido que se oye al abrir la página corresponde una onda como la de esta imagen.

1. El sonido y su percepción.

1.1. Qué importancia tiene el sonido en nuestras vidas.

Si golpeas una campana, una copa de cristal u otro cuerpo sólido y elástico, se produce un fenómeno que reconocemos como sonido. En la naturaleza podemos oír multitud de sonidos.
Nosotros hemos aprendido a elaborarlo hasta lograr tres efectos excepcionales:

1.1.1. ¿Cómo se genera el sonido?

El sonido es un fenómeno físico que nos resulta muy familiar, pero ¿cómo se produce? ¿Cuál es su naturaleza? Cuando golpeamos la piel de un tambor y después la tocamos, se aprecia un cosquilleo en los dedos: el tambor está vibrando. Podemos repetir la experiencia con un diapasón: sus ramas, al vibrar, emiten un sonido que dura el tiempo que las ramas están vibrando.
El sonido se genera por la vibración de los cuerpos.
En algunos casos, esta vibración se puede observar a simple vista, como cuando pulsas la cuerda de una guitarra. Pero:

  • ¿Qué más ocurre cuando un cuerpo vibra? Fíjate en la ilustración.
  • ¿Cómo puede llegar hasta nuestro oído la vibración?
  • ¿Se necesita energía para generarlo?
  • ¿Cómo podemos representar el sonido? Fíjate en la onda de la izquierda.
Figura 2. Ondas de sonido en el aire. Compresión y rarefacción.

1.2. La propagación del sonido

Observa en la figura anterior cómo, cuando la piel del tambor vibra, las partículas de aire se separan, disminuyendo la presión (el aire se enrarece) y, después, al empujarlas la membrana hacia el lado contrario, se comprimen, aumentando su presión. Las vibraciones de la membrana se propagan por el aire en forma de compresiones y enrarecimientos de sus partículas, a las que llamamos ondas sonoras, transmitiendo la energía que ha producido la vibración.

Definición: El sonido consiste en la propagación de la vibración de los cuerpos a través de un medio material (gaseoso, líquido o sólido).

1.2.1. Cómo se representa el sonido

Al representar las variaciones de presión, P, de una onda sonora en función de la distancia, x (e), obtenemos una gráfica como la de la figura 3. En ella tenemos varios conceptos:

  • La longitud de onda, λ (lambda), podemos definirla como la distancia que separa dos puntos máximos de la onda.
  • La amplitud, A, es la máxima altura que alcanza la onda.
  • La frecuencia de una onda, f, es el número de oscilaciones que se producen cada segundo, y
  • El período, T, el tiempo que dura una oscilación completa en segundos. Estas últimas magnitudes están relacionadas:

f = 1 / T;    ó       T = 1/f

 


Figura 3. Conceptos de las partes de una Onda.

En el S.I., λ. y A se miden en metros, m; f, en oscilaciones/segundo, unidad denominada hercio (Hz), y T, en segundos, s.

Definición: Un Hertzio es la frecuencia de un cuerpo que vibra con una oscilación en cada segundo.

1.2.2. Necesitas saber que...

El sonido precisa de un medio material para propagarse; decimos que es una onda mecánica, a diferencia de las que no lo necesitan y pueden propagarse en el vacío, como la luz, las ondas de radio o las que llegan a un teléfono móvil.

Para ampliar: http://rsta.pucmm.edu.do/profesor/nestorc/Introduccion/indiceApplets/indice_unidades.htm

(Explorar en enlace a Movimiento Ondulatorio).

1.2.3. Aprende a trabajar en ciencias

Las ondas se clasifican en función de cómo son sus direcciones de propagación de la onda  y vibración de las partículas.

Ondas longitudinales se propagan en la misma dirección en que vibran las partículas de aire. Por ejemplo el sonido.
Figura 4. Ondas longitudinales. Propagación del sonido en el aire.Observa las zonas de compresión y rarefacción.
Ondas transversales son; la dirección de vibración de las partículas es perpendicular a la de propagación de la onda. Por ejemplo ondas de agua en  la superficie de un estanque
Figura 5. Ondas transversales en el agua.
 
   
El sonido se propaga sólo por medios materiales.
Imagina un despertador dentro de una campana neumática en la que hemos hecho el vacío, como se muestra en la siguiente figura.		 Genera ondas longitudinales en un muelle.
Toma un muelle largo, comprime algunas de sus espiras y suéltalas; verás que la onda de compresión se propaga en la misma dirección en que vibra el muelle.

Figura  6. El reloj no se oje, porque dentro de la campana hay vacio.
Figura 7. Onda longitudinal en un muelle.
  1. Cuando suene el despertador, ¿que se oirá?
  2. ¿Y si no hubiéramos hecho el vacío?
  3. Relaciona esta experiencia con la lectura inicial de la unidad.
  4. ¿Qué energía es la que mueve el grupo de espiras? ¿Por qué crees que acaba parándose?
  5. Amplía lo explicado consultando la técnica para aprender «Construcción de modelos».

1.3. La reflexión del sonido

La reflexión es uno de los fenómenos característicos de todos los movimientos ondulatorios; también del sonido.
La reflexión se produce cuando una onda sonora, que se propaga por un medio alcanza otro medio de distinta naturaleza, (por ejemplo aire y una pared de piedra). Entonces, la onda se refleja sobre ella como lo haría una pelota que siguiera el mismo camino.

Para estudiar la reflexión de las ondas, conviene definir dos conceptos geométricos:

Leyes de la reflexión de ondas:

  • Primera ley. El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
  • Segunda ley. El ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales.
Figura  8. Leyes de la reflexión.

1.3.1. Aprende a trabajar en ciencias. Eco y reverberación.

Nuestro oído puede diferenciar dos sonidos siempre que le lleguen separados por, al menos, 0,1 segundos (Una décima de segundo, a ese tiempo lo llamamos tiempo de persistencia acústica de nuestro oído).

El sonido viaja a una velocidad de 340 m/s en el aire; por tanto, en 0.1 s recorrerá:

Eco

Si gritas frente a la pared de un acantilado situado a una distancia mayor de 17 m, el sonido hace el camino de ida y vuelta, escucharás tu propia voz devuelta al cabo de un tiempo por reflexión en la pared rocosa; se trata del eco.

Reverberación

Si gritamos frente a una pared situada a 17 m de nosotros, o menos, como la onda sonora recorrerá en el viaje de ida y vuelta 34 m, o menos, nuestro oído no podrá distinguir el sonido original del reflejado; en esto consiste la reverberación.

Figura 9. Eco a más de 17 m.
Figura 10. Reverberancia, 17 metros o menos.

Actividades

  1. Si en vez de gritar frente a la pared lo haces formando un ángulo de unos 45°, ¿qué ocurre? ¿Por qué?
  2. ¿Por qué resulta complicado entender lo que se habla en un aula grande vacía?

1.3.2. Necesitas saber que... El sonido en diferentes medios

No solo el aire puede transmitir las ondas sonoras; también el agua, y a mucha mayor velocidad.

Y más aún los metales que el agua. Los terremotos no son otra cosa que la transmisión de vibraciones en el interior del planeta.

Si establecemos una analogía con el m.r.u., en el que calculábamos la velocidad como el espacio recorrido en cada unidad de tiempo, te será fácil comprender que la velocidad de propagación de una onda cualquiera podemos calcularla según la expresión:

En la tabla se incluye la velocidad de propagación del sonido en diferentes medios.

Medio

v(m/s)

Aire a 20 °C

340

Aire a 0 °C

331

Agua del mar

1 500

Madera

3 900

Acero

5 100

1.4. Las ondas sonoras transmiten energía

Para hacer sonar cualquier instrumento musical, es necesario realizar un trabajo, como para hablar o gritar. Producir ondas sonoras requiere una energía.
Esta energía se transmite y distribuye por todo el medio de propagación. Si has presenciado unos fuegos artificiales, habrás sentido vibrar tu cuerpo por la energía que transporta el sonido por el aire

1.5. El sonido transmite información

La onda sonora que produce un diapasón no contiene información, aparte de su propio tono; pero si añadimos a esta onda pura otras complejidades, como interrupciones, otros tonos, altibajos de intensidad, etc., de modo que sigan un determinado código, entonces el sonido se convertirá en un magnífico medio de transmitir información. Los animales utilizan códigos para comunicarse situaciones de peligro o para llamarse unos a otros. Nosotros hemos desarrollado códigos complicadísimos que forman el lenguaje.

1.6. Cualidades del sonido

La abundancia de sonidos que se pueden producir es extraordinaria, y nuestro oído es capaz de diferenciar una enorme variedad de ellos; podemos diferenciar el sonido de la voz de cada persona o distinguir entre distintos instrumentos musicales. Esto es así gracias a las cualidades sonoras.
Las cualidades del sonido son la Intensidad o sonoridad, el tono o altura y el timbre.

Actividades

  1. Explica cómo se propaga el sonido en el aire. El sonido, ¿transporta energía? Explícalo.
  2. Realiza el montaje siguiente: Cuelga de un hilo una pe­lota de ping-pong ayudándote con una gotita de pegamento. Sujetándola por el hilo, ponla en contacto con una de las ramas de un diapasón o cualquier otro ob­jeto que esté sonando; ¿qué le ocurre? Explícalo.
  3. El sonido, ¿transporta energía? Explícalo.
  4. ¿Cómo crees que se genera el ruido de un trueno?
  5. Para percibir la información que transporta un sonido, es preciso conocer el código con que se emitió. Pon un ejemplo con el lenguaje español y el inglés.

1.7. Explicación de las cualidades del sonido

1.7.1. Intensidad del sonido

La intensidad del sonido depende de la energía con que vibra la fuente que lo genera.
Si golpeamos suavemente un diapasón, le comunicaremos poca energía y su sonido será débil; al hacerlo con mucha fuerza, se oirá el mismo tono de sonido, pero con mayor intensidad.
Para medirla se utiliza la escala decibélica, donde cero decibelios (0 dB) corresponden al sonido mínimo perceptible, y 120-140 dB, al umbral doloroso (no es el mismo para todos).
Si se analizan gráficamente los sonidos en un osciloscopio (aparato que capta los sonidos con un micrófono y transforma la onda sonora en una onda eléctrica que nos muestra en su pantalla), se puede observar que la amplitud de la onda mide la intensidad del sonido.

Figura  11. Onda representativa de diferentes intensidades de sonidos.
  • ¿Qué ocurre cuando varías el volumen de un reproductor de MP3? ¿Qué característica del sonido estás modificando?

1.7.2. El tono, o la frecuencia del sonido

El tono de un sonido viene dado por su frecuencia.
El sonido se produce cuando los cuerpos vibran, pero no todos lo ha­cen con la misma rapidez. En los instrumentos de cuerda, las cuerdas más finas y tensas emiten sonidos de tonos altos o agudos (vibran con gran rapidez, con alta frecuencia) y las más gruesas emiten sonidos de tonos bajos o graves (vibran más lentamente, con frecuencias bajas).

La frecuencia de un sonido se mide en oscilaciones que se producen cada segundo. Por ejemplo, el diapasón que emite la nota “la” vibra con una frecuencia de 440 Hz; esto es, sus láminas vibran 440 veces cada segundo, mientras que la nota “sol” tiene 784 Hz.

  • ¿Qué nota musical es más aguda, “si” (493,4 Hz) o “fa” (698,5 Hz)?
Figura 12. Gráficas de dos sonidos con tonos diferentes, más agudo el de 440 Hz y más grave el de 200 Hz .

1.7.3. El timbre, o la complejidad de las ondas

Timbre es la cualidad que nos permite diferenciar dos sonidos de la misma Intensidad y tono pero procedentes de instrumentos diferentes.

Si dos instrumentos diferentes, como un piano y un clarinete, tocan la misma nota musical, puedes distinguir cuál es el sonido de cada uno. De la misma manera, puedes reconocer a las personas por su voz, aunque no las veas.

Los diapasones emiten sonidos prácticamente puros (en el osciloscopio aparece una sola onda), pero cualquier otro instrumento musical produce simultáneamente una mezcla de muchos sonidos, a los que denominamos armónicos, que depende de su forma, de su tamaño y de los materiales con que se ha fabricado. Algo similar ocurre con la voz humana.

  • ¿Piensas que los perros pueden distinguir el timbre de los sonidos? ¿En qué te basas para ello?
Figura 13 . Timbre. Sonido diferente de una flauta y una trompeta.

1.8. Anatomía del oído

El oído transforma las vibraciones exteriores en impulsos nerviosos que envía al cerebro. Sus partes son:

  • Oído externo:
    • El pabellón auditivo (oreja) y
    • el conducto auditivo se en­cargan de encauzar las vibraciones desde el exterior hasta el tímpano.
  • Oído medio:
    •  El tímpano, al recibir las variaciones de presión del aire, vibra como la membrana de un tambor.
    • Cadena de huesecillos (martillo, yunque y estribo) unida al centro del tímpano (el martillo) transmiten las vibraciones hasta el oído interno, actúan como una palanca que transforma los movimientos del tímpano en pequeñas vibraciones del líquido que llena el oído interno.
    • La trompa de Eustaquio. Comunica el oído medio con el ex­terior, a través de la laringe para equilibrar las posibles diferencias de presión a los lados del tímpano y evita que se rompa.

Figura 14. Partes del oido.
  • Oído interno.
    • La cóclea o Caracol está formada por una serie de canales arrollados en forma de caracol, llenos de líquido y separados entre sí por membranas donde hay unas célu­las ciliadas a las que llegan las terminaciones nerviosas (órgano de Corti).
    • Nervio auditivo. Las vibraciones sonoras que llegan a través de la cadena de huesecillos viajan por los canales del caracol y estimulan las células ciliadas y, por tanto, las terminaciones del nervio auditivo, originando impulsos nerviosos (de naturaleza eléctrica) que este transmite hasta el cerebro, donde se produce la sensación y la interpretación del sonido. La música o el ruido no son más que interpretaciones que nuestro cerebro hace de determinados sonidos.
    • Canales semicirculares. Están relacionados con el sentido del equilibrio. Si sufren alguna alteración no podemos mantenernos en pie.

Nuestra sensación de sonido es la interpretación que el cerebro hace de las vibraciones del aire.

Además, el oído humano es capaz de localizar la fuente de la que proviene el sonido; ello es debido a que cuando el sonido llega desde un lado o alcanza a uno de los oídos antes que al otro. Con esa pequeña diferencia de tiempo, el oído es capaz de localizar la zona de donde procede.

1.9. ¿Qué sonidos podemos percibir?

El oído hu­mano joven puede apreciar los sonidos comprendidos, aproximadamente, entre 20 y 20000 Hz.
En las personas adultas se reduce a la gama de unos 100 a 10 000 Hz.
En general, para captar sonidos muy graves o muy agudos es preciso que sean muy intensos.
Este efecto es más acusado en las personas mayores.
Algunos animales, como el perro y el murciélago, son capaces de percibir sonidos por encima de los 20 kHz  (20 000Hz), a los que llamamos ultrasonidos. Otros por debajo de los 20Hz (infrasonidos), como el Elefante.

Sonidos

Graves

Medios

Agudos

Ultrasonidos

Frecuencia (Hz)

20

200

2 000

20000

Actividades

  1. Indica las cualidades que tienen los sonidos producidos por:
    1. La sirena de una ambulancia.
    2. La explosión de un cohete.
    3. Una hoja de papel al vibrar.
    4. Una campanilla.
    5. El zumbido de una abeja.
  2. ¿Qué ocurriría si solo tuviésemos un oído?

2 Utilización tecnológica del sonido. Contaminación acústica

2.1. La captación del sonido

En ocasiones, el ser humano copia a la naturaleza en algunos de sus inventos. Una de esas «ideas copiadas» es el micrófono, que funciona de modo semejante al oído:
Una membrana metálica, análoga al tímpano, recoge las vibraciones del exterior y las transforma, mediante un pequeño electroimán (función de Coclea), en im­pulsos eléctricos que son transmitidos por unos cables (ner­vio auditivo) hasta un dispositivo que los amplifica y se envían a un altavoz (como el órgano fonador de los animales) o los graba.
Figura 15. Imitando a nuestro oido. Partes de un micrófono.

2.2. Conservación y reproducción del sonido

Para conservar el sonido, hay que transformar la onda sonora en una onda eléctrica mediante un micrófono; a continuación, se puede grabar en una memoria magnética (como un disco duro), o en forma de agujeritos producidos por un láser al quemar la superficie de un CD (disco compacto), o en una memoria electrónica, como la de un MP3, anteriormente se grababa en cintas magnéticas o en discos de plástico (vinilo) haciendo un surco con montañitas y valles.
Para reproducirlo, se procede al contrario: la onda eléctrica, recuperada del dispositivo de grabación, se transforma en sonido en un altavoz o en un auricular.
Figura 16. Caratula de un CD-ROM. De la Web: http://cvc.cervantes.es/literatura/cauce/amado_alonso.htm

2.3. El sonar

El sonido se propaga en el agua mucho mejor y más rápidamente que en el aire, con una rapidez de 1600 m/s. El sonar es un aparato, se­mejante a un altavoz, que es capaz de transformar las ondas eléctri­cas en movimientos sonoros (sonidos) dentro del agua. Puede producir sonidos audibles por los animales marinos (a veces les causa graves problemas), o bien ultrasonidos, que se reflejan en los fondos generando un eco que es captado por un hidrófono (mi­crófono para el agua).
El sonar, instalado en los submarinos, permite localizar posibles obstá­culos; en los barcos científicos se utiliza, por ejemplo, para cartografiar los fondos marinos, y en los pesqueros, para localizar bancos de peces.

2.3.1. Utilización en medicina. Ecografía.

El sonar ha resultado ser un instrumento cada vez más utilizado en medicina. Con un sonar ligeramente presionado sobre nuestra piel pueden hacerse vibrar nuestros fluidos y tejidos internos; esto es, producir ul­trasonidos en el interior de nuestro cuerpo. Cada tejido y cada órgano transmite mejor o peor estos sonidos, y analizando los ecos producidos por las reflexiones que se producen en huesos, músculos, etc., mediante un ordenador adecuado, puede formarse una imagen de lo que hay en nuestro interior: una ecografía.
Hoy se utiliza con preferencia a los rayos X, que son perjudiciales para nuestra salud.

 
Figura 17. Hoy en dia se pueden optener imagenes reales en 2 y 3 dimensiones, con la ECOGRAFÍA.

2.4. La contaminación acústica

Cada día es más frecuente escuchar quejas acerca de la contaminación acústica. Los innumerables y potentes ruidos de la ciudad producen irritabilidad, aturdimiento y falta de concentración en el trabajo.
No se resolverá el problema hasta que todos nos lo propongamos. ¿Te has fijado en el nivel de ruido que suele haber en los pasillos y en el patio de tu colegio en la hora del recreo? ¿Podría evitarse?

2.4.1. Las condiciones de trabajo

Si trabajamos en un ambiente de ruido, se puede producir lo siguiente:

  • Aumento de la fatiga, de la tensión nerviosa y del número de acciden­tes de trabajo.
  • Disminución del rendimiento.
  • Insatisfacción y desinterés en el trabajo, etc.

 
Figura 18. El tráfico rodado es una de las más importantes fuentes de ruido en las ciudades; para minimizar sus efectos, en determinados puntos se instalan pantallas reflectoras que protegen las viviendas próximas.

2.4.2. Búsqueda de soluciones

El nivel de ruido en que se desenvuelve nuestra vida influye negativamente en el rendimiento de nuestro trabajo y en nuestra salud. La insonoriza-ción del hogar, la protección con barreras acústicas, la prohibición de circular a vehículos ruidosos, etc., es defender nuestra salud.

2.4.3. Necesitas saber que... La protección del oído

Los sonidos con intensidades de 120 decibelios o más pueden romper la membrana del tímpano y provocar sordera.
Las personas que trabajan en ambientes ruidosos deben protegerse los oídos. Las “discotecas” también pueden provocar daños en la membrana del tímpano.

Intensidades en dB de algunos sonidos habituales

0

Umbral de audición

10

Respiración normal

20

Conversación en voz baja.

40

Conversación normal.

60

Conversación en voz alta.

100

Ruido de un tren.

120

Avión despegando (umbral doloroso).

En la escala decibélica, un sonido de 20 dB no tiene el doble de intensidad que otro de 10 dB, sino diez veces más (escala logarítmica), y uno de 30 dB es cien veces mayor que el de 10 dB.
El tiempo máximo permisible de exposi­ción por jornada de trabajo en función del NSCE (Nivel Sonoro Continuo Equiva­lente) se muestra en la tabla:

Tiempo (h)

8

4

2

1

1/2

1/4

NSCE (dB)

90

93

96

99

102

105

Actividades

  1. Un micrófono y un altavoz son instrumentos que manipulan el sonido. ¿Para qué sirve cada uno?
  2. Al sonar que se utiliza en medicina se le llama ecó-grafo. Describe su funcionamiento.
  3. Para trabajar con sonidos dentro del agua, se utilizan dos aparatos similares en sus funciones al mi­crófono y al altavoz. ¿Cómo se llaman?
  4. ¿Cuáles son los síntomas que produce un ambiente ruidoso en el trabajador? ¿Consideras que el estu­diante es un trabajador?

Actividad 27. Página 116:

Primera onda (la de la izquierda): A = 2 m. Es la altura de la onda y λ = 4 m, distancia desde la que comienza la onda x = 0 m, hasta que termina en x = 4 m.

Segunda onda (la de la derecha): Periodo T = 2 s, tiempo desde que comienza la onda en   t = 0 s, hasta que comienza la siguiente en t = 2 s. Frecuencia, f =1/T; f = 1/2 Hz; f = 0,5 Hz.