Transcript Ondas mio
Ondas Frentes de onda y rayos • Frentes de onda: lugar geométrico de los puntos del espacio que están en fase. – 1D=Líneas (onda plana) – 2D=círculos – 3D=esferas • Rayos: Líneas perpendiculares a los frentes de onda. Indican la propagación de la onda. Energía de una onda • Toda la energía de una onda armónica se produce en el foco, que realiza un MAS • Definimos la Potencia producida por el foco como la energía que produce por unidad de tiempo: – P=ΔE/ Δt; Unidad=J/s=Watio=W Propagación • La energía producida en el foco se distribuye entre cada vez más osciladores (si se propaga en 2D o 3D, al menos), de tal forma que como cada vez son más “tocan” a menos. • Como la EMAS=1/2kA2, los osciladores más lejanos tendrán menos A hasta desaparecer la onda, incluso aunque el medio sea perfectamente elástico y no absorba energía. ¿relación r (distancia al foco) y A? • Para ver dicha relación, introducimos un nuevo concepto, la Intensidad de una onda. Si nos preguntamos de qué depende la energía solar que entra por una ventana, responderemos que del tiempo y de la superficie de la ventana. • I= ΔE/ Δt ΔS=Energia que atraviesa en la unidad de tiempo la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación. Unidad=W/m2 Un foco y 2 frentes de onda • Por los 2 atravesará la misma potencia, la que se produce en el foco P=I1S1=I2S2 I14πr12=I24πr22 I1r12=I2r22 I α 1/r2 ¿Y con A? • Ya sabemos que I disminuye con el cuadrado de r. ¿Y A? • La intensidad I será proporcional a la energía de cada oscilador (ΔE/ Δt ΔS) , y por tanto, proporcional a A2 -> Iα 2 A Sale….. • Combinando las 2 expresiones anteriores • I α A2 • I α 1/r2 • A2 α 1/r2->A α 1/r Si se quiere ser riguroso: E=1/2kA2=1/2m4π2ν2A2= 2mπ2ν2A2 Ecada superficie=nº osciladores/S(=σ)·4πr2·Potencia de un oscilador= σ·4πr2· 2mπ2ν2A2. Al igualar en cada superficie se obtiene: A12r12= A22r22 Onda atenuada. Sin pérdida de energia Absorción de energía por el medio • Absorción. Paneles para absorber el sonido. ΔI/I0=-βL-> ΔI/I=-β Δx I I dI/I =-βdx 0 𝐼 𝑑𝐼 𝐼0 𝐼 = 𝐿 − βdx 0 L Propagación: Huygens • Propagación de una onda: Todo punto de un frente de ondas se convierte a su vez en un emisor de ondas secundarias cuya envolvente es el nuevo frente de ondas. Uso del P. Huygens: Difracción Se usa para demostrar las leyes de la reflexión y la refracción Una onda llega a un cambio de medio… • Y en esa interfase se producen 2 ondas, una que vuelve al medio original (reflexión) y otra que atraviesa al segundo medio (refracción). Nota: A veces la refracción no es posible: Medio opaco a la luz, cuerda amarrada en un extremo. – Reflexión: Rayo en un espejo, Eco del sonido: Cambio de dirección de la onda dentro del mismo medio al llegar a la superficie de separación entre 2 medios. – Refracción: Rayo de luz en un prisma: Cambio de dirección de una onda que pasa a otro medio debido a su cambio de velocidad de propagación. Ley de la reflexión y la refracción • 1ª. Los rayos incidente, reflejados, refractado y la normal a la superficie están en el mismo plano. • 2ª. REFLEXION: El ángulo que forma el rayo incidente con la normal es el mismo que el que forma el ángulo reflejado con la normal Seguimos… • 3ª: Ley de Snell: El cociente entre el seno del ángulo de incidencia y de refracción es igual al cociente entre las velocidades de propagación de la onda en ambos medios • 𝑠𝑒𝑛𝑜 𝜃1 𝑠𝑒𝑛𝑜 𝜃2 = 𝑣1 𝑣2 • Situaciones en la refracción: Ruedas en un plano inclinado Difracción • la difracción es un fenómeno característico de las ondas. Se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. • La difracción ocurre en todo tipo de ondas • Se observa muy bien si la rendija L≈λ Interferencias • Cuando llegan 2 o mas ondas a un punto se suman sus efectos->Principio de superposición. • Fenómenos propiamente ondulatorio. • La luz no se sabía si era onda o partícula (rayos no coherentes), hasta que se realizó el experimento de la doble rendija>Experimento de Young Experimento Young INTERFERENCIA DE DOS PULSOS DE ONDA Estudio gráfico n=0 n=1/2 n=1 n=3/2 n=2 n=3 A B n=4 Cresta de la onda C Valle de la onda Interferencia constructiva F1 Punto A: Distancia foco 2: x2=9 (Cresta) Distancia foco 1: x1=6 (Cresta) Difer. de camino: x2-x1=3 Tipo Interferencia: Constructiva Punto B: Distancia foco 2: x2=6,5 (Valle) Distancia foco 1: x1=5,5 (Valle) Difer. de camino: x2-x1= Tipo Interferencia: Constructiva F2 Interferencia destructiva Punto C: Distancia foco 2: x2=7 (Cresta) Distancia foco 1: x1=2,5 (Valle) Difer. de camino: x2-x1=4,5 Tipo Interferencia: Destructiva Fotografía de interferencias de una cubeta de ondas Analíticamente 𝑦1 = 𝐴𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 𝑘𝑥1 + 𝜑 𝑦1 + 𝑦2 𝑦2 = 𝐴𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥2 + 𝜑) = 𝐴 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 − 𝑘𝑥1 + 𝜑 + 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥2 + 𝜑) sena senb 2 sen ab 2 𝐴 𝜔𝑡−𝑘𝑥1 +𝜑 cos ab 2 tendríamos: 𝑦1 + 𝑦2 = 𝑦 = +(𝜔𝑡−𝑘𝑥2 +𝜑) 𝜔𝑡−𝑘𝑥1 +𝜑 𝑐𝑜𝑠 −(𝜔𝑡−𝑘𝑥2 +𝜑) 2𝑠𝑒𝑛 2 2 2𝜔𝑡−𝑘 𝑥1 +𝑥2 +2𝜑 𝑘(𝑥2 −𝑥1 ) 𝑦1 + 𝑦2 = 𝐴 2𝑠𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑠 = 2 2 𝑘(𝑥2 −𝑥1 ) 𝑥1 +𝑥2 2𝐴𝑐𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 + 𝜑 − 𝑘 2 2 • Interferencia constructiva: 𝑘(𝑥2 − 𝑥1 ) 2𝜋 (𝑥2 − 𝑥1 ) (𝑥2 − 𝑥1 ) = 𝑛𝜋; = 𝑛𝜋; 2 𝜆 2 𝜆 =𝑛 • Interferencia destructiva: 𝑘(𝑥2 − 𝑥1 ) 𝜋 2𝜋 (𝑥2 − 𝑥1 ) = (2𝑛 − 1) ; 2 2 𝜆 2 𝜋 (𝑥2 − 𝑥1 ) 1 = (2𝑛 − 1) ; = (2𝑛 − 1) 2 𝜆 2 Caso especial de interferencias Ondas estacionarias Ondas Estacionarias • Son un caso especial de interferencias en el que una onda, confinada en un medio, interfiere con su reflejo. • Se producen en: – Instrumentos de cuerda: cuerda y caja de resonancia. – Instrumentos de viento: La onda de presión que se produce en la lengüeta interfiere con el reflejo producido en la boca del tubo (cambio de presión=cambio de medio) – Modelo de Bohr: Observemos una onda reflejándose Una onda, al llegar a un punto de cambio de medio en el que no puede vibrar, se refleja y además se invierte. Se puede ver en el dibujo superior o en video en los siguientes 2 enlaces: - https://www.youtube.com/watch?v=LTWHxZ6Jvjs&feature=plcp - https://www.youtube.com/watch?v=aVCqq5AkePI&feature=plcp Analiticamente 𝐴−𝐵 𝐴+𝐵 Recordemos que 𝑠𝑒𝑛 𝐴 − 𝑠𝑒𝑛 𝐵 = 2𝑠𝑒𝑛 2 𝑐𝑜𝑠 2 Al reflejarse una onda transversal en un punto fijo experimenta un cambio de fase de 180º. El signo menos de y2 aparece porque sen(180+α)=-senα 𝑦1 = 𝐴𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 + 𝑘𝑥) 𝑦 +𝑦 = 𝐴 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡 + 𝑘𝑥 − 𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) 𝑦2 = −𝐴𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡 − 𝑘𝑥) 1 2 2𝑘𝑥 2𝜔𝑡 = 2𝐴𝑠𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑠 2 2 𝑦𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝟐𝑨𝒔𝒆𝒏 𝒌𝒙 𝒄𝒐𝒔 𝝎𝒕 = 𝐴 𝑥 cos 𝜔𝑡 , 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐴 𝑥 = 2𝐴𝑠𝑒𝑛(𝑘𝑥) El resultado es una sucesión de M.A.S. de A variable según la distancia x Nodos y vientres • Hay partículas que oscilan con mucha amplitud (el doble de la original) y partículas que no oscilan en absoluto (siempre se encuentran quietas). En una onda estacionaria, en realidad no hay propagación de energía, sino que existe un intercambio de energía cinética y potencial para cada partícula del medio, es un estado de vibración. • Nodos: puntos de no vibración: 2AsenKx=0 ->xnodos=0, λ/2, λ; etc DISTANCIA ENTRE NODOS: λ/2 • Vientres: puntos de vibración máxima: 2AsenKx=+1 o -1 ->xvientres= λ/4, 3λ/4, 5λ/4; etc DISTANCIA ENTRE VIENTRES: λ/2 Con esos datos y la idea que nodos y vientres están siempre intercalados (a distancia λ/4) se pueden construir múltiples ondas estacionarias En una cuerda • Los extremos, al estar fijos, serán NODOS. • Podemos producir varias ondas estacionarias (para calcular su λ /2 recordar que la distancia N-N= λ /2; V-V= λ /2 y N-V= λ /4 : La primera tiene una frecuencia: ν0=v/λ =v/2L. Se denomina 1er armónico o vibración fundamental La cuarta tiene una frecuencia: ν4=v/λ =2v/L=4v/2L=4ν0 .Se denomina 4º armónico o 3er sobretono En una flauta • En el extremos cerrado nodo y en el otro vientre y en medio las distintas posibilidades música • Si tenemos en cuenta que la velocidad de una onda en una cuerda viene dada por – T= Tensión de la cuerda – μ= densidad lineal (m/L) • A mayor T mayor v y según lo anterior mayor frecuencia. Las cuerdas producen sonidos más agudos al tensionarlas. • Las cuerdas de los bajos son mas densas, mayor μ, y por tanto menor v y menor frecuencia. • Si bien se trata de una explicación grosera -una primera aproximación- los agujeros laterales que tienen los instrumentos de viento tienen en el efecto de alargar y acortar la longitud del tubo. Lo propio hace el asa deslizante del trombón. Las curvas que deba pegar la columna de aire no tienen ningún efecto sonoro, los instrumentos las tienen para ahorrar espacio. Onda estacionaria (Applet de java) Videos • Ondas estacionarias en video: – Con extremos abiertos (vientres): https://www.youtube.com/watch?v=7_GeW73SGnc &feature=plcp – Con los 2 extremos fijos (nodos): https://www.youtube.com/watch?v=jovIXzvFOXo&f eature=plcp - Con un extremos libre y el otro fijo: https://www.youtube.com/watch?v=DWhCdlPM19 M&feature=plcp Efecto doppler • Consiste en el cambio de la frecuencia percibida por un observador (es un cambio aparente) cuando hay movimiento relativo entre él y el foco. – Dopler (1842)->Sonido – Fizeau (1848) ->ondas electromagnéticas (luz). El rayas del espectro del H emitido por la luz de una galaxia se “corren” hacia el rojo->Las galaxias se alejan->Hubble. – Usaremos f en las ecuaciones en lugar de ν porque aparecen muchas velocidades v que se pueden prestar a confusión. Es super útil • Rádar de la policia (basado en el cambio de frecuencia de la onda de radar emitida por el aparato del coche policia y la onda reflejada por el vehículo infractor) • Ecografia doppler • Astronomia Efecto doppler del espectro del H • Corrimiento hacia el rojo de la luz estelar. http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Hubble ejemplo Un flash del efecto doppler Estudio gráfico Nace una onda. En el instante inicial el foco, que se encuentra en el origen, emite una onda. 0 Estudio gráfico Al cabo de un tiempo igual al período, T, el frente de la onda emitida antes llega a λ y, mientras tanto, el emisor se ha movido a vfocoT y desde ahí emite el siguiente frente de ondas. 1T vfocoT 0 1 Estudio gráfico Al cabo de un tiempo igual al 2T, el frente de ondas emitido desde el punto 0 está a 2λ del origen y el emitido desde el punto 1 avanzó λ desde su punto de emisión, vfocoT. Mientras tanto, el emisor se ha movido a 2vfocoT y desde ahí emite el siguiente frente de ondas. λ-vfocoT 2T 2vfocoT 0 1 2 λ 2λ La distancia entre 2 frentes de onda consecutivos según se acercan al observador ya no es λ, sino λ-vfocoT Estudio gráfico Cada frente avanza λ desde su anterior posición. El móvil avanza. 3T 3vfocoT 0 1 2 3 λ 3λ 2λ La distancia entre 2 frentes de onda consecutivos según se acercan al observador ya no es λ, sino λ-vfocoT ¿Qué frecuencia mide el observador? • A él los frentes no le llegan cada T segundos, sino antes, ya que la distancia entre frentes es 𝜆 − 𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 · 𝑇= 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 · 𝑇 − 𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 · 𝑇 = (𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 −𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 ) · 𝑇 • Esa distancia se tarda en recorrer un tiempo 𝑡 = (𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 −𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 )·𝑇 𝑠 = .Ese t será el período 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 aparente que percibirá el observador, lo que tardan en llegarle 2 frentes de ondas consecutivos, T’. ′ • La 𝑓 = 1 𝑇′ = 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 (𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 −𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 )·𝑇 = 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑓 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 −𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 Seguimos… • Si el observador estuviese “detrás” (el foco se aleja de él), el signo del denominador sería el +, ya que los frentes tardarían más en llegar, al tener que recorrer 𝜆 + 𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 · 𝑇. 1 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 ′ 𝑓 = ′= =𝑓 𝑇 (𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 +𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 ) · 𝑇 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 • Agrupando ambas expresiones: 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 + 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒆𝒋𝒂 ′ 𝒇 =𝒇 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 ± 𝒗𝒇𝒐𝒄𝒐 − 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒔𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒄𝒂 Para recordar 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 + 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒆𝒋𝒂 𝒇 =𝒇 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 ± 𝒗𝒇𝒐𝒄𝒐 − 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒔𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒄𝒂 • Para recordar el signo debemos recordar que si el foco se acerca al nosotros, al observador, “acelera” la llegada de las ondas, llegan antes, con un T’ menor y por tanto con una frecuencia ν’ mayor. El signo del denominador será el que hace que ν’ aumente, el signo • Si el foco se aleja de nosotros, espacia aún mas la llegada de los frentes, T’ mayor y ν’ menor. El signo del denominador será el que hace que ν’ aumente, el signo + ′ ¿Y si se mueve el observador? • El efecto es similar, pero la causa es el “aceleramiento” o “retraso” en la llegada de los frentes por causa del movimiento del observador. Los frentes de onda son perfectamente concéntricos, pero el observador, al moverse a través de ellos, acelera o retrasa su llegada. ¿Se ve? 0 demostración • Desde que el observador atraviesa el primer frente de ondas, el siguiente frente y él se dirigen al encuentro. Son como los trenes que salían de 2 estaciones distintas separadas que estudibais en 4º. Cada uno recorre para encontrarse vobs·t y vonda·t y se encuentran cuando la suma de sus recorridos vale λ. Ese t será el período T’ percibido por el observador 𝜆 𝑇𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 ′ ′ 𝜆 = 𝑇 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 ; 𝑇 = = 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 1 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 = = = 𝑇′ 𝑇𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 1 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 =𝑓 >𝜈 𝑇 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑓′ resumen • Al igual que antes, el signo será - si se produce la situación contraria, el observador se aleja. • El resumen es: 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 ±𝒗𝒐𝒃𝒔 − 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒐𝒃𝒔. 𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒆𝒋𝒂 𝒇 =𝒇 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 + 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒐𝒃𝒔. 𝒔𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒄𝒂 ′ Resumen • Observador fijo- foco moviéndose: 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 + 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒆𝒋𝒂 ′ 𝒇 =𝒇 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 ± 𝒗𝒇𝒐𝒄𝒐 − 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒇𝒐𝒄𝒐 𝒔𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒄𝒂 • Foco fijo-observador moviéndose: 𝒗 ±𝒗 − 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒐𝒃𝒔. 𝒔𝒆 𝒂𝒍𝒆𝒋𝒂 𝒐𝒏𝒅𝒂 𝒐𝒃𝒔 ′ 𝒇 =𝒇 + 𝒔𝒊 𝒆𝒍 𝒐𝒃𝒔. 𝒔𝒆 𝒂𝒄𝒆𝒓𝒄𝒂 𝒗𝒐𝒏𝒅𝒂 Combinamos… • Si los 2 se mueven las combinamos y hacemos que la ν’ del 1º sea la ν del segundo: 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 ±𝑣𝑜𝑏𝑠 ′ 𝑓 =𝑓 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 ± 𝑣𝑓𝑜𝑐𝑜 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝒗 ± 𝒗𝒐𝒃𝒔 ′ 𝒇 =𝒇 𝒗 ± 𝒗𝒇𝒐𝒄𝒐 SIGNOS ′ • 𝒇 = 𝒗±𝒗𝒐𝒃𝒔 𝒇 𝒗±𝒗𝒇𝒐𝒄𝒐 Se debe pensar en cada signo independientemente del otro y pensando en como influye individualmente en la f’ SITUACION Signo foco F O F F F O Signo observador - - O - + O + + + - Error • Error muy extendido. La regla de los signos: • La regla de los signos es: – Si hay aproximación relativa la ν’ aumenta. Aumenta el numerador(+) y disminuye el denominador (-) – Si hay alejamiento relativo la ν’ disminuye. Disminuye el numerador(-) y aumenta el denominador (+) Un flash del efecto doppler Un vídeo sobre el mismo efecto Y otro sobre el mismo, pero en “divertido”. The Bing Bang Theory. Sheldon Cooper y su disfraz Y el último: Applet de java Ejercicios Un tren que se mueve con una velocidad de 40 m/s hace sonar su silbato, con una frecuencia de 500 Hz. Calcula las frecuencias escuchadas por un observador en reposo a medida que el tren se le aproxima y una vez que se aleja. V(sonido)=340 m/s S: 566 Hz y 447 Hz Ejercicio Una ambulancia viaja por una recien inagurada autovía de Toledo a una velocidad de 40 m/s. Su sirena emite un sonido de frecuencia 300 hz. ¿Con qué frecuencia escucha la sirena un observador que viaja a 25 m/s en sentido contrario) a) Cuando se aproxima a la ambulancia b) Cuando se aleja de ella. V(sonido)=340 m/s S: 487 Hz y 332 Hz Ejemplo interferencias Un ejemplo: Un experimentador conecta dos tubos de goma a la caja de un diapasón que es excitado eléctricamente y mantiene los otros extremos de los tubos en sus oídos. Aumentando progresivamente la longitud de uno de ellos, aprecia que cuando la diferencia entre ambos es de 18 cm percibe por primera vez un sonido de intensidad mínima. Se trata de determinar cuál es la frecuencia del diapasón y la longitud de la onda sonora correspondiente. (Considérese la velocidad del sonido en el aire 340 m/s.) Solución En este caso el diapasón equivale a dos focos, al generar ondas idénticas que se propagan por caminos diferentes. Si el primer mínimo se consigue cuando es igual a 18 cm, aplicando la condición de mínimo se tendrá: x2-x1=λ/2 luego: λ=2(x2-x1)=2·18=36 cm Dado que la frecuencia f y la longitud de onda l están relacionadas por la ecuación v=l·ν se tendrá: 𝑣 340 𝑚/𝑠 𝜈= = = 940 𝐻𝑧 𝜆 0,36 𝑚 Ejemplo Doppler Una lancha rápida se acerca a la pared vertical de un acantilado en dirección perpendicular. Con la ayuda de un aparato de medida el piloto aprecia que entre el sonido emitido por la sirena de su embarcación y el percibido tras la reflexión en la pared del acantilado se produce un salto de frecuencias de 440 Hz a 495 Hz. ¿A qué velocidad navega la lancha? (Tómese la velocidad del sonido en el aire v = 340 m/s.) Solución Observador (O) en movimiento y foco (F) en reposo: 𝑓′ = 𝑓 1 + 𝑣0 𝑣 (O se acerca al F) Observador (O) en reposo y foco (F) en movimiento: 𝑓′ = 𝑓 𝑣 1+ 0 (F se acerca al O) 𝑣 Como se dan ambos casos, se aplicará sucesivamente ambas transformaciones a la frecuencia emitida f para obtener la frecuencia percibido f' 𝑓′ = 𝑓 1+𝑣𝑂 /𝑣 1−𝑣𝐹 /𝑣 =𝑓 1+𝑣𝐹 /𝑣 1−𝑣𝐹 /𝑣 =𝑓 𝑣+𝑣𝐹 𝑣−𝑣𝐹 pues en este caso vF = vO Sustituyendo resulta: 495 = 440 y despejando vF se tiene: vF = 20 m/s = 72 km/h 340 + 𝑣𝐹 340 − 𝑣𝐹 El sonido • Qué sabemos: – Onda de presión – Longitudinal – Mecánica Producción y propagación • Mecanismo de producción: – Voz humana – Instrumentos – oido oido • Entre 20 Hz y 20000 Hz (20 kHz) • v(sonido en el aire)=340 m/s • 17m>λ>1,7 cm – Si f<20 Hz: infrasonidos – Si f>20 kHz: ultrasonidos. Ambos no audibles. ¿Por qué se usan los ultrasonidos)? λ bajo. Poder resolución. Velocidad del sonido medio Velocidad hierro 5950 m/s Aire seco 340 m/s agua 1500 m/s 𝑣𝑔𝑎𝑠 = 𝛾𝑅𝑇 𝑀 ϒ=coeficiente adiabático=1,4 para los gases diatómicos, como el aire R=constante de los gases ideales=8,31 J/K·mol (ojo unidades) T=Temperatura absoluta M=masa molecular del gas. Para el aire (21% O2 y 79 N2) Maire=(21·32+79·28)/100=28,9 g/mol Propiedades del sonido • Tono: Es la cualidad que nos permite distinguir los agudos (o altos) de los graves (o bajos). Es la frecuencia. Las distintas notas musicales se corresponden con frecuencias distintas. • Timbre: Permite distinguir quién produce el sonido y distinguir la voz de una persona de otra, el sonido de un instrumento de otro… Se relaciona con la complejidad de las sonidos, que nunca son ondas puras (salvo los diapasones), sino mezclas de armónicos. Intensidad • Como en cualquier onda: • I= ΔE/ Δt ΔS=Energía que atraviesa en la unidad de tiempo la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación. Unidad=W/m2 • I es proporcional a A2 y a 1/r2 • Pero la sensación sonora (subjetiva) no es proporcional a la intensidad. Para que una persona aprecie que un sonido tiene doble volumen que otro es necesario que el primero sea aproximadamente 10 veces mayor. Intensidad sonora • Umbral de audición: La intensidad más baja que se puede oír para una frecuencia dada. A 1000 Hz la I. umbral se estima en I0=10-12 W/m2 y ahí pondremos el cero de nuestra escala de intensidad sonora • La máxima intensidad sonora del tímpano humano sin ocasionar dolor se estima en 1 W/m2. Hay una variabilidad de 1012 W/m2 entre el mínimo y el máximo. No pondremos máximo porque el sonido puede ser de mayor intensidad y dañar el timpano. Decibelios Por esa enorme variabilidad se emplea para medir intensidades sonoras una escala logarítmica cuyas divisiones son potencias de 10. Se define intensidad sonora (en belios, B, en honor a Alexander Graham Bell) como el logaritmo del cociente entre la I del sonido y la I umbral: 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 = 𝑙𝑜𝑔 𝐼 𝐼0 (en B) Se suele usar más un submúltiplo del Belio, el decibelio (dB). 1 B=10 dB. Para usar la formula anterior en dB haremos la conversión de unidades: 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑠𝑜𝑛𝑜𝑟𝑎 𝜷 = 𝐼 10 𝑑𝐵 𝑙𝑜𝑔 𝐵 𝐼0 1𝐵 = 𝟏𝟎 𝑰 𝒍𝒐𝒈 𝑰𝟎 (en dB) decibelios La formula anterior puede escribirse también como: 𝑰 = 𝑰𝟎 𝟏𝟎𝜷/𝟏𝟎 (β en decibelios) 10 dB->I=10I0 20 dB->I=100I0 30 dB->I=1000I0 Cada 10n dB la I se multiplica por 10n Eliminadas Otra manera muy parecida de verlo El observador acelera la llegada de los frentes de onda. La velocidad relativa de las ondas con respecto al observador es vrel=vonda+vobs, ya que van al encuentro (principio de Galileo) 𝜆 𝑣𝑟𝑒𝑙 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 ′ ′ 𝑣𝑟𝑒𝑙 = = 𝜆𝜈 ; 𝑣 = = = 𝑇′ 𝜆 𝑇𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 1 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 + 𝑣𝑜𝑏𝑠 =𝜈 >𝜈 𝑇 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 𝑣𝑜𝑛𝑑𝑎 0 Al igual que antes, el signo será - si se produce la situación contraria, el observador se aleja