Ondas, luz y sonido: movimiento ondulatorio y fenómenos acústicos

UNIDAD 9. Ondas, luz y sonido

prepa
UNITEC
Bachillerato
Virtual
Cuatrimestre: Segundo
Asignatura: Físicaprepa
UNITEC

¡Bienvenid@s a la Unidad!

"La fortuna hace aparecer nuestras virtudes y
nuestros vicios como la luz hace aparecer los
objetos."
François de La Rochefoucauld

Contenido temático de la Unidad

• 9. Ondas, luz y sonido
• 9.1 Movimiento ondulatorio
• 9.1.1 Ondas mecánicas. Tipos de ondas
• 9.1.2 Características de las ondas. Su propagación
• 9.2 El sonido
• 9.2.1 ¿Qué es el sonido? Su propagación
• 9.2.2 Reflexión y efecto Doppler
• 9.3 La luz
• 9.3.1 Iluminación y reflexión de la luz
• 9.3.2 Refracción de la luz
• 9.4 La luz y el color
• 9.4.1 El arco iris de Newton
• 9.4.2 Colores primarios y secundarios
• 9.4.3 ¿De qué colores son los objetos?

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UNIDAD 9. Ondas, luz y sonido

Presentación de la unidad

En la unidad 9 estudiaras los conceptos de ondas, este es fundamental para explicar
fenómenos como la luz y el sonido. Las ondas describen un movimiento ondulatorio,
este consiste en unas variaciones periódicas de un medio o un campo.
Por un lado distinguirás entre las ondas mecánicas que requieren un medio y las
electromagnéticas. Independientemente del tipo de onda, aprenderás las
características fundamentales que permiten cuantificar su comportamiento y
propagación.
Como caso particular de ondas mecánicas, estudiarás las ondas sonoras y entenderás
que es el sonido. Después abordaras el tema la reflexión y el efecto Doppler en el
sonido.
Finalmente trabajarás el tema de la luz donde se describe su comportamiento como
ondas electromagnéticas con los fenomenitos de reflexión y refracción de la luz. Esto,
te permitirá explicar cómo se perciben los colores como un tipo de onda
electromagnética con una longitud de onda especifica.

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Mapa de contenidos temáticos de la Unidad

• 9. Ondas, luz y
  sonido
• 9.1 Movimiento
  ondulatorio
• 9.2 El sonido
• 9.3 La luz
• 9.4 La luz y el
  color

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UNIDAD 9. Ondas, luz y sonido

Introducción

Todos los días escuchamos un sinfín de estímulos
sonoros que determinan nuestra vida cotidiana. Vamos a
profundizar en la naturaleza del sonido y estudiaremos
de qué manera se comporta en distintas situaciones. La
rama de la Física que se preocupa de su estudio se llama
acústica.
Tanto la luz como el sonido
se explican gracias al
concepto de las ondas y el
movimiento ondulatorio.
Nuestro cuerpo evolucionó
con sentidos capaces de
detectar este tipo de ondas.
Por otro lado, quizás el sentido más importante para los
seres humanos es el de la vista, mediante su uso
distinguimos la forma y el color de los objetos, podemos
estimar la distancia a la que se encuentran o si están en
movimiento. El estudio de la naturaleza de la luz, su
comportamiento y su interacción con los objetos se
remonta a miles de años. En Física se denomina óptica al
estudio de la luz.
En esta unidad, resumiremos parte importante del
conocimiento de la ciencia sobre el sonido y la luz, y
algunas de sus aplicaciones más importantes.

REFLEXIONA

¿Cómo el sentido del oído?
¿Cómo el sentido de la vista ?

INICIO

9.1 Movimiento ondulatorio

Habrás visto muchas veces que al dejar caer una piedra
en un estanque se forman unas figuras circulares, las
ondas, en la superficie del agua. Estas ondas se originan
en el punto donde cae la piedra y se alejan de él hacia la
orilla.
Este movimiento y otros muchos que se dan en la
naturaleza responden a una forma de propagación
similar. Reciben el nombre de movimientos ondulatorios.

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Ondas mecánicas. Tipos de ondas

Las ondas que existen en la naturaleza se pueden clasificar
atendiendo a dos criterios principales: según su naturaleza y
según la dirección de la vibración transmitida.

Ondas superficiales en
agua.

CONCEPTO

Onda
En física, una onda (del
latín unda) consiste en la
propagación de una
perturbación de alguna
propiedad del espacio.

Según su naturaleza

Ondas mecánicas

Consisten en la transmisión de una per-
turbación a un medio material (sólido,
líquido o gas) y requieren la existencia
de dicho medio material para su propa-
gación.
Ejemplos: las ondas sonoras en el aire, las
ondas producidas en el agua cuando
cae en ella un objeto, las de una cuerda
que vibra ...

Ondas electromagnéticas

Consisten en un campo electromagné-
tico variable en el espacio y son capa-
ces de propagarse sin necesidad de
ningún medio material.
Ejemplos: la luz, las ondas de radio, los
rayos X ...

HIPERVÍNCULO

Waves Intro
https://phet.colorado.ed
u/es/simulation/waves-
intro
Simulador de ondas,
visualiza las ondas
transversales y
longitudinales.

Según la dirección de la vibración

Ondas longitudinales

Propagación de la onda
Vibración de las
partículas
La vibración producida tiene la misma di-
rección que la propagación de la onda.
Ejemplos: ondas sonoras ...

Ondas transversales

Propagación de la onda
Vibración de las
partículas
La vibración producida es perpendicular
a la dirección de propagación de la
onda. Ejemplos: la luz, ondas en una
cuerda.
La transmisión de energía en una onda se manifiesta en el
incremento de energía potencial del peso cuando la vibración
le alcanza.

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Frequency
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Características de las ondas

oscilación
14
desplazamiento
Ondas producidas en una
cuerda al hacer oscilar un
extremo de la cuerda.

CONCEPTO

Oscilación
Es a una variación,
perturbación o fluctuación
en el tiempo de un medio
o sistema.
La ilustración representa una imagen instantánea de una onda
que se propaga por una cuerda.
Cada punto de la cuerda vibra alrededor de una posición de
equilibrio y la vibración se transmite a lo largo de toda la
cuerda. Esta imagen nos permite apreciar claramente las
magnitudes características del movimiento ondulatorio.
Dirección de vibración
Amplitud (A)
Dirección de propagación
Longitud de onda (2)
. Amplitud de la onda (A): valor máximo del desplazamiento de una partícula respecto
de su posición de equilibrio.
. Longitud de onda (2): distancia entre dos puntos consecutivos que se hallan en el
mismo estado de vibración.
· Período (T): tiempo que invierte un punto en efectuar una vibración completa.
También es el tiempo que tarda la onda en avanzar una longitud de onda.
· Frecuencia (f): número de vibraciones que se producen por unidad de tiempo. De la
definición se deduce la relación que hay entre el período y la frecuencia.
f =
T
La unidad de frecuencia en el SI es el hercio (Hz), igual a = o s-1 .
· Velocidad de propagación (v): distancia a cual se propaga la onda dividida entre el
tiempo que emplea en hacerlo
0= 즈
T
o también
v = 1.f

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Ejemplo 1 de cálculo de período y velocidad

Calcula el período y la velocidad de propagación de un movimiento ondulatorio cuya frecuencia vale
250 Hz y su longitud de onda es 1,50 m.
- Datos: f = 250 Hz
2 = 1,50 m
Hallamos el período a partir de la frecuencia.
=4 .10-4 s
f =
Calculamos la velocidad de propagación.
v = 2 · f = 1,50 m . 250 s-1 = 375 m/s

9.2 El sonido

¿Qué es el sonido?

La acústica es la parte de la física que estudia la naturaleza del
sonido, el modo en que se propaga y sus cualidades. Para
comprender la importancia de esta ciencia basta recordar, por
ejemplo, en la actualidad tienen la transmisión, la
reproducción y la amplificación del sonido o las aplicaciones
médicas y técnicas de los ultrasonidos.
La imagen muestra un diapasón. Este instrumento consta de
una varilla de acero en forma de U y de un mango que puede
apoyarse en una caja de madera o caja de resonancia.
Dirección de
propagación
de las
ondas sonoras
Vibración
de las partículas del aire
Diapáson
Expansión del aire
(disminución de la presión)
Compresión del aire
(aumento de la presión)
Un diapasón consiste en
una varilla de acero en
forma de U. Se golpea
ligeramente en una rama
para hacerlo vibrar, con
lo que genera una onda
sinusoidal de frecuencia
fija (una nota).
Si golpeamos una rama del diapasón, este vibra produciendo
un sonido característico. Veamos cuál es su origen:
El movimiento vibratorio de las partículas del diapasón se
transmite a las partículas próximas del aire ocasionando en
este sucesivas compresiones y expansiones, semejantes a las
producidas en un muelle elástico al comprimirlo y estirarlo.

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1
T
=
T =
1
f
250 Hz
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En las zonas de compresión, las partículas del aire se
aproximan dando lugar a un aumento de la presión, mientras
que en las zonas de expansión dichas partículas se separan y la
presión disminuye.
Estas perturbaciones del aire se transmiten mediante un
movimiento ondulatorio hasta llegar a nuestro oído. Desde
aquí se envía un estímulo al cerebro, en donde se interpreta un
sonido.
El sonido consiste en una forma de transmisión de la energía
originada por la vibración de un cuerpo. Se propaga mediante
ondas mecánicas y es capaz de estimular el sentido del oído.
Las ondas sonoras son longitudinales, ya que las partículas del
medio transmisor vibran en la dirección de propagación de las
ondas.
La velocidad con que se propaga el sonido depende de las
características del medio. En general, la velocidad del sonido es
mayor en los sólidos que en los líquidos y mayor en estos que
en los gases.
https://phet.colorado.ed
u/es/simulation/sound
Simulador de ondas
sonoras longitudinales.
En el aire, el sonido se propaga a unos 340 m/s, mientras que
en el agua lo hace a unos 1 460 m/s.

Caso práctico

Ejemplo 2 de cálculo de longitudes de onda

Calcula las longitudes de onda de dos sonidos que se propagan por el aire a 340 m/s si sus frecuencias
valen 20 Hz y 20 000 Hz.
- Datos: v = 340 m/s f. = 20 Hz f2 5 20 000 Hz
Hallamos el período a partir de la frecuencia.
Hallamos la longitud de onda del segundo sonido.
340 m . s.1
=> 1,= =
4, =-
20 s-1
= 17 m
V
340 m·s-1
f.
2
20 000 s-1
= 0,017 m
Este término nace del latín
sonitus, cuyo significado
por analogía quiere decir
chirrido, ruido o rugido.

HIPERVÍNCULO

x
CHET
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Efecto Doppler

El sonido del claxon de un automóvil o el silbido de una locomotora de tren es más
agudo al acercarse hacia nosotros y baja de tono conforme se aleja.
Este fenómeno, común a todas las ondas armónicas, aunque más conocido en las ondas
sonoras, se llama efecto Doppler, en honor del físico austriaco Ch. J. Doppler (1803-
1853), quien lo interpretó en 1842.
El efecto Doppler consiste en el cambio que experimenta la frecuencia con que
percibimos un movimiento ondulatorio respecto de la frecuencia con la que ha sido
originado, a causa del movimiento relativo entre la fuente y el receptor.

1
λι
2
3
4
5
F
4 5
123
R1
R2
λ2
VF
Fuente
sonora
en
movimiento
y receptor
fijo
F
λ
.
R
Receptor en movimiento y
fuente sonora fija.
Para la resolución de problemas, se hace uso de la siguiente
fórmula:
V±00
fo = fs
V VS
Donde:
fo = frecuencia que percibe el observador (también se usa
como fr o frecuencia de la señal recibida)
fs = frecuencia real que emite la fuente (también se usa
como fe o frecuencia de la señal emitida)
V = velocidad del sonido (343 m/s)
Vo = velocidad del observador (también se usa como vr 0
velocidad del receptor)
Vf = velocidad de la fuente (también se usa como ve 0
velocidad del emisor)
Importante:
Si el observador se acerca a la fuente emisora, el signo
en el numerador será + (mas) y simultáneamente el
signo en el denominador será - (menos).
.
Ahora, si el observador se aleja de la fuente emisora, el
signo en el numerador será - (menos) y
simultáneamente el signo del denominador será + (más).

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VR