Temas de Física 18!

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SEGUNDO PARCIAL

Escrito por TemasdefisicaJaramillo18 27-04-2018 en FISICA. Comentarios (0)

    • ENSAYO CAPITULO 23

La fuerza eléctrica

La fuerza eléctrica está presente en todos los ámbitos de la vida, de modo que  se manifiesta en forma de un fenómeno que produce una repercusión en el medio en el cual sucede. ¿En qué consisten estos fenómenos y porqué suceden? Las respuestas se basan en la primera ley de la electroestática al igual que en la ley de Coulomb, y se argumentan mediante diversos experimentos que prueban lo que en un principio, eran teorías.

La fuerza eléctrica se comprende partiendo de la definición de la electrostática, la cual es la ciencia que se ocupa de las cargas eléctricas en reposo. De igual forma, la electrostática  es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Dentro de la definición de electrostática, sale a relucir el concepto de carga eléctrica, la cual es la propiedad física  que tienen los objetos que da espacio a la fuerza con la que interactúan a través de los campos electromagnéticos, es decir, de los campos de fuerza creados en torno a una corriente eléctrica producido por elementos cargados eléctricamente y que afectan a partículas con carga eléctrica.

Un experimento que demuestra el comportamiento de las cargas eléctricas es el de frotar una barra de ebonita con un pedazo de paño de lana y acercar posteriormente el pedazo de ebonita hacia un electroscopio, visualizando la atracción entre este y las bolas de medula de saúco suspendidas, que,  en consecuencia, después de un tiempo serán repelidas debido a que la carga se ha distribuido entre los tres objetos, teniendo la misma carga, llegando a la conclusión de que entre dos sustancias electrificadas igualmente, existe una repulsión. Si se hiciese lo mismo utilizando una barra de vidrio en vez de la barra de saúco los resultados serían iguales, dando a entender que la naturaleza de ambas cargas es la misma en las dos barras, sin embargo, para confirmar dicho enunciado, se procede a cargar individualmente a cada esfera, una con la barra de ebonita y otra con la barra de vidrio, obteniendo como resultado una atracción entre las esferas, por lo cual, contrario a lo sucedido en los primeros dos casos, las cargas en cada esfera eran opuestas. Según Benjamín Franklin, los objetos del primer grupo estaban cargados positivamente y los del segundo grupo tenían una carga negativa.

De esta forma, es posible interpretar la primera ley de la electrostática, la cual menciona que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.

En cambio, para comprender el proceso del fenómeno de electrificación se es necesario analizar la conducta de los electrones.

El primero en proponer  que todos los cuerpos contaban con una carga determinada que los mantenía en un estado neutro fue Benjamín Franklin. Él postulaba que al frotarse dos cuerpos, esta carga que el denominaba como sustancia, se acumulaba en uno de los cuerpos, quedando cargado de forma positiva, y  por el contrario, el cuerpo que había perdido carga quedaba cargado negativamente. En la actualidad, es sabido que la sustancia a la cual se refería Benjamín Franklin eran los electrones, es decir, pequeñas cantidades de electricidad negativa. De esta manera se llega a la conclusión de que un objeto que tiene un exceso de electrones está cargado de forma negativa, mientras que un objeto con una carencia de electrones está cargado positivamente.

La teoría atómica sobre la materia por la cual hoy nos regimos, dictamina que  todas las sustancias están formadas por átomos y moléculas. Los átomos están  conformados por un núcleo, que es la parte central cargada positivamente y que se encuentra rodeada por electrones. A su vez, el núcleo está constituido por un determinado número de protones, cada uno de ellos con una sola unidad de carga positiva  y (excepto el hidrogeno)  por uno o más neutrones, que son las partículas eléctricamente neutras. Se dice que un átomo de materia es neutro cuando está compuesto por la misma cantidad de protones dentro del núcleo  y de electrones alrededor de este mismo. Un átomo en estado neutro que pierde uno o más electrones es positivo y es llamado ion positivo y un átomo que gana cargas adicionales es nombrado como ion negativo.

No hay que dejar de lado que los átomos que componen a un trozo de materia se encuentran condicionados según el material del cual se conforma esta misma, y  de este modo su capacidad de transferir cargas eléctricas. Aquellos materiales, como el metal, que tienen un gran número de electrones libres, tienen la facilidad de moverse a través del material y por ende, pueden transferir carga de un objeto a otro denominándosele, material conductor.  En cambio, cuando un material se resiste al flujo de carga se le conoce como aislante. Por último también existen los materiales semiconductores, que son aquellos materiales con capacidad intermedia para transportar una carga. Esta capacidad varía acorde a la adición de impurezas y a los cambios de temperatura.

Un electroscopio de hojas de oro cargado, puede usarse para indicar tanto la polaridad como la presencia de cargas en el espacio circundante, siendo de gran utilidad para realizar experimentos que refuten los enunciados anteriores, con tan solo aplicar una carga a la perilla de este electroscopio mediante una barra cargada según se desee.

La carga por inducción está presente en este experimento, ya que se carga un objeto eléctricamente sin la presencia de un contacto  entre los materiales involucrados y por lo tanto, nos se genera ninguna pérdida en el cuerpo cargado debido  a la redistribución de carga a causa de la presencia cercana del objeto cargado.

Charles Augustin de Coulomb, realizó sus investigaciones teóricas acerca de las fuerzas eléctricas  mediante una balanza de torsión con el fin de medir la variación de la fuerza con respecto a la separación de la cantidad de carga. La separación r entre dos objetos cargados se define como la distancia en línea recta entres sus respectivos centros, y la cantidad de carga expresada con la letra q se puede considerar como el número de electrones o protones que hay en exceso, en un cuerpo determinado.

En este experimento, él demostraba que, a pesar de que en ese entonces no hubiese una unidad de carga ni forma de medirla, la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados era directamente proporcional al producto de la cantidad de carga de cada objeto, dando paso a la ley de Coulomb, la cual enuncia que la fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de la dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. De una forma más coloquial, se puede decir que esta ley dice que si la distancia entre dos objetos  cargados se reduce a la mitad, la fuerza de atracción o de repulsión entre ellos se cuadruplicará.

La fórmula de la ley de Coulomb es la siguiente:

 F=  Kqq' / r2



En dicha fórmula se indica la fuerza de atracción F entres dos cargas contrarias así como la fuerza de repulsión entre dos cargas similares q y q’ y por su separación, expresada en r, incluyendo la constante de proporcionalidad k que incluye las propiedades del  medio que separa los cuerpos cargados y tiene las dimensiones que dicta la ley de Coulomb siendo de 9x10^9 N.m^/C^2.

La fuerza F está en newtons (N) cuando la distancia r está en metros (m) y la carga q se mide en Coulombs (C) y su  dirección se determina por las leyes de atracción y repulsión.

Cabe recalcar que un Coulomb es la carga transferida en un segundo a través de cualquier sección transversal de un conductor, mediante una corriente constante de un ampere.

De igual forma, conviene recordar que F representa la fuerza sobre una partícula cargada y es, por tanto, una cantidad vectorial.

En conclusión, la fuerza eléctrica se compone de los fenómenos explicados por la primera ley de la electrostática, que consiste en que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen y por la ley de Coulomb que establece que la fuerza de atracción o de repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de la dos cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa generando una fórmula que permite medir la variación de la fuerza con respecto a la separación de la cantidad de carga. Estas dos leyes se comprenden a partir del entendimiento del comportamiento de los electrones y de la teoría atómica actual que permite ver la estructura de los átomos y la existencia de las moléculas que se originaron en un inicio por el postulado de Benjamín Franklin.

Referencias

https://es.wikipedia.org/wiki/Campo_electromagnético

www.who.int/topics/electromagnetic_fields/es/

https://es.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-electrostatics/ee-electric-force-and-electric-field/a/ee-electric-force

Fisica-de-Tippens-ed7.pdf



  • ENSAYO CAPITULO 24

 El campo eléctrico


Dentro del amplio tema del campo eléctrico, se pueden encontrar diversas acciones y aplicaciones que ocurren en la vida cotidiana, en donde, sin darnos cuenta influye este fenómeno físico, desarrollando acciones que hoy en dia son muy comunes en diferentes dispositivos y aparatos que sufren de este fenómeno para poder realizar sus actividades.

En el siguiente ensayo, se hablara sobre el campo eléctrico, definición, características y factores que determinan su dirección. Así como otros conceptos que entran en el tema, como las líneas de campo eléctrico, las reglas que deben seguirse para construirlas, el concepto de permitividad y como esta afecta el campo y construcción de dichas líneas. Se mencionara la ley de Gauss en los campos eléctricos que se forman alrededor de las superficies cuya densidad de carga es desconocida.

Para entender muchos fenómenos físicos, se deben desarrollar diferentes leyes, las cuales nos ayudan a entender y calcular ciertos factores de los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor, una de estas son las leyes de Newton sobre la gravitación universal, y la ley de coulomb sobre las fuerzas electrostáticas.

El campo eléctrico se denomina como el espacio que rodea a un objeto cargado en presencia de una carga, pero antes de esto, se tenía un concepto muy diferente acerca de los campos magnéticos. Los físicos de la antigüedad hablaban acerca de la existencia de un material invisible al que llamaron éter, el cual, se decía que llenaba todo el espacio. Sin embargo, en base a distintos experimentos realizados a través del tiempo, demostraron que la teoría de la existencia de esta sustancia es insostenible, lo que ha llevado a pensar sobre las propiedades que tiene el espacio para realizar físicamente. la presencia de una sola masa altera el espacio que la rodea y de esa forma, se produce una fuerza gravitacional sobre una masa que se encuentre cerca. A esta alteración es a la que se le llama campo gravitacional, el cual rodea todas las masas. Este tipo de campo existe en todo el espacio donde una masa experimente una fuerza. Ahora bien, el campo eléctrico se dice que existe cuando un objeto se carga y altera cuando esta en presencia de una carga eléctrica. Este campo eléctrico existe en una región en donde una carga experimenta una carga eléctrica.

Existen diferentes leyes, las cuales nos ayudan a entender las diferentes características y factores que existen entre la interaccion que hay entre dos o mas masas diferentes.

En el sistema métrico, la unidad de intensidad de los campos eléctricos es el newton por coulomb (N/C), esto radica en que si logra conocer el campo en cierto punto, se puede predecir la fuerza que actuara en cualquier masa masa que se encuentre en ese punto dado. La dirección de esta intensidad, en cierto punto del espacio, será la misma que la dirección en la que una carga positiva se movería si se colocara en ese mismo punto.

Cabe recalcar, que la intensidad de un campo eléctrico es una propiedad determinada por el espacio que se encuentra alrededor de un cuerpo cargado. Un ejemplo de esto, es el campo gravitacional que existe alrededor de la tierra, aunque estos se trate de una fuerza gravitacional, de igual forma, cuando un objeto se encuentra cargado, alrededor de este habrá un campo eléctrico.

Para calcular la magnitud e intensidad del campo eléctrico en un punto specifico, se debe colocar una carga en dicho punto y se debe medir la fuerza resultante, asi, la fuerza por unidad de carga se convierte en una medida para intensidad de un campo eléctrico en ese punto.  La magnitud de un campo eléctrico alrededor de un cuerpo cargado, es directamente proporcional a la cantidad de carga en el cuerpo, y que de igual forma, que entre mayor sea la distancia entre la carga Q, una carga de prueba experimentara fuerzas cada vez menores a las actuales, estos, se explica en la ley de Coulomb.

Michael Faraday (1791-1867), en sus primeras investigaciones del electromagnetismo, saco a la luz un sistema para poder observar los campos magnéticos, el cual consiste en que, se debe representar la intensidad y la dirección de un campo a través de líneas imaginarias, las cuales se denominan líneas del campo magnético. Estas líneas son trazadas, de manera en que su dirección en cualquier punto sea igual a la dirección del campo eléctrico en dicho punto.

Para poder distribuir cualquier carga, se puede dibujar un número infinito de líneas eléctricas, si la separación entre línea es neutral de la intensidad del campo eléctrico, se debe establecer un limitado número de líneas trazadas para cada caso. Viendo la forma en que se trazan las lineas del campo eléctrico, también se puede decir que el campo eléctrico en una pequeña parte de su espacio, su área seria proporcional al numero de lineas que penetren dentro de el, es decir, que la densidad en las líneas del campo eléctrico, es proporcional a la intensidad de este. Una vez que se elige una constante de porporcionalidad para la ecuación de líneas de campo eléctrico. Por lo que debe establecerse un limite de numero de líneas que puedan trazarse en cada situación. Se ha encontrado que lo mas conveniente para cada constante de espaciamiento es lo que se conoce como permitividad del espacio libre. Esto de como resultado el numero total de líneas que pasan normalmente a través de una superficie es numéricamente igual a la carga contenida dentro de la superficie. La ley de Gauss dice que el numero total de líneas de fuerza eléctrica que cruzan cualquier superficie cerrada en dirección hacia fuera es numéricamente igual a la carga neta total contenida dentro de esa superficie.

La ley de Gauss se utiliza para calcular la intensidad del campo cerca de las superficies de carga. Lo cual, representa una ventaja sobre otros métodos que fueron desarrollados para solo aplicarse en cargas puntuales. Puesto a que la mayor parque de los conductores cargados tienen grandes cantidades de carga en ellos, no es eficiente contar las cargas de forma individual.

Asi que, se puede concluir que el campo eléctrico abarca muchas cosas, entre ellas, diferentes leyes, las cuales ayudan a la mejor comprensión para entender este fenómeno físico que, hoy en dia como sabemos, forma parte de incontables procesos que vienen dentro de la vida cotidiana. Existen diversos factores de este tema, que lo vuelven algo muy complejo y fascinante, como la manera en la que se representa, las distintas formas en las que se ha tratado de explicar como ocurre y los diferentes sucesos que ocurren cuando este se manifiesta. Durante años, muchos físicos han explicado y postulado teorías, algunas han sido acertadas, con las cuales pretendían explicar este fenómeno, el mas acertado fue Faraday, que como se mencionó anteriormente, fue quien realizo el experimento para determinar y representar las líneas de dirección de los campos magnéticos, asi, podemos decir que los campos magnéticos son algo muy normal hoy en dia, también con los diferentes acontecimientos y fenómenos en los que se pueden identificar acciones de fuerzas invisibles a distancia.


PROBLEMAS CAPITULO 25 ( POTENCIAL ELÉCTRICO)




RESUMEN DEL CAPITULO 25 (POTENCIAL ELÉCTRICO)






LINK DEL VIDEO ( EXPERIMENTO, BOBINA DE TESLA)
https://youtu.be/h4obfACiLas

PRIMER PARCIAL

Escrito por TemasdefisicaJaramillo18 11-03-2018 en FISICA. Comentarios (0)

Capitulo 21 (Movimiento ondulatorio)

Ondas mecánicas 

Cuando se deja caer una piedra en un estanque de agua, se origina una perturbación que se propaga en círculos concéntricos, que al cabo del tiempo se extienden a todas las partes del estanque. Un corcho pequeño, que flota sobre la superficie del agua, se mueve hacia arriba y hacia abajo a medida que se propaga la perturbación. En realidad, se ha transferido energía a través de una cierta distancia, desde el punto del impacto de la piedra en el agua hasta el lugar donde se encuentra el trozo de corcho. Esta energía se transmite mediante la agitación de las partículas de agua que colindan entre sí. Unicamente la perturbación se mueve a través del agua. El movimiento real de cualquier partícula de agua individual es relativamente pequeño. A la propagación de la energía por medio de una perturbación en un medio, y no por el movimiento del medio mismo, se le llama movimiento ondulatorio.

El ejemplo anterior se refiere a una onda mecánica porque su existencia misma depende de una fuente mecánica y de un medio material.

 Una onda mecánica es una perturbación física en un m edio elástico.

Tipos de ondas 

Las ondas se clasifican de acuerdo con el tipo de movimiento que generan en una parte determinada del medio en el cual se producen, respecto a la dirección en la que se propaga la onda. 

Un tipo de onda es la onda transversal. 

En una onda transversal, la vibración de las partículas individuales del medio es perpendicular a la dirección de la propagación de la onda.

Otro tipo de onda, como la que se genera con un resorte en espiral, Las espiras cercanas al extremo izquierdo se comprimen formando una condensación. Cuando cesa la fuerza de distorsión, un pulso de condensación se propaga a lo largo del resorte. Este tipo de onda se llama onda longitudinal debido a que las partículas del resorte se desplazan en la misma dirección en la que avanza la perturbación.

Cálculo de la rapidez de onda 

La rapidez a la cual se mueve un pulso a través de un medio depende de la elasticidad del medio y de la inercia de las partículas del mismo. Los materiales más elásticos producen mayores fuerzas de restitución cuando se distorsionan. Los materiales menos densos se resistenmenos a moverse.

Movimiento ondulatorio periódico 

Hasta ahora sólo se han considerado las perturbaciones individuales que no se repiten, llamadas pulsos. ¿Qué sucede cuando se repiten periódicamente otras perturbaciones similares? Suponga que atamos el extremo izquierdo de una cuerda al extremo de un vibrador electromagnético, El extremo del vibrador metálico se mueve con desplazamiento armónico debido a un campo magnético oscilatorio. Puesto que la cuerda está sujeta a uno de los extremos del vibrador, a lo largo de dicha cuerda se envía una serie de pulsos transversales periódicos. Las ondas resultantes están formadas por muchas crestas y valles que se mueven a lo largo de la cuerda con rapidez constante. La distancia entre dos crestas o valles adyacentes en ese tipo de tren de ondas se llama longitud de onda y se representa por A.

La longitud de onda A de un tren de ondas periódicas es la distancia entre dos partículas cualesquiera que estén en fase.

Cada vez que el punto extremo P del vibrador efectúa una oscilación completa, la onda se moverá a través de una distancia de una longitud de onda. El tiempo requerido para cubrir esta distancia es, por tanto, igual al periodo T de la fuente que vibra. De este modo, la rapidez de la onda v se puede relacionar con la longitud de onda A y el periodo T por medio de la ecuación:

La frecuencia/d e una onda es el número de ondas que pasan por un punto determinado en la unidad de tiempo.

La rapidez de una onda se expresa más frecuentemente en función de su frecuencia y no de su periodo. Por tanto, puede escribirse como

Energía de una onda periódica 
Hemos visto que cada partícula en una onda periódica oscila con un movimiento armónico simple determinado por la fuente de la onda. El contenido de energía de una onda puede analizarse considerando el movimiento armónico de las partículas en forma individual. Cuando una partícula tiene esta rapidez, está pasando por su posición de equilibrio, donde su energía potencial es cero y su energía cinética es máxima. De modo que la energía total de la partícula es:

Sustituyendo ¡i para la masa por unidad de longitud, escribimos

Suponga que la onda viaja por la longitud L de una determinada cuerda con una rapidez v. El tiempo t necesario para que la onda recorra esta longitud es

Si la energía en esta longitud de cuerda se representa por E, la potencia P de la onda está dada por


La potencia de la onda es directamente proporcional a la energía por unidad de longitud y a la rapidez de propagación de la onda.

principio de superposicion

La onda resultante es una superposición de las ondas componentes. Es decir, el desplazamiento que resulta de una sola partícula en la cuerda que vibra es la suma algebraica de los desplazamientos que cada onda produciría, independientemente de las demás. Este es el principio de superposición'. Cuando dos o más ondas existen sim ultáneam ente en el mismo m edio, el desplazamiento resultante en cualquier punto y en cualquier instante es la suma algebraica de los desplazam ientos de cada onda. 

Ondas estacionarias 

Consideremos ahora la reflexión de un pulso transversal, como se muestra en la cuerda de la figura 21.10. Cuando el extremo de la cuerda se ata fuertemente al soporte, el pulso que llega golpea el soporte y ejerce sobre él una fuerza ascendente. La fuerza de reacción que ejerce a su vez el soporte tira entonces en dirección de la cuerda hacia abajo, lo cual origina un pulso reflejado. Tanto el desplazamiento como la velocidad se invierten en el pulso reflejado. Esto quiere decir que si un pulso llega como una cresta, se refleja como un valle, con la misma rapidez pero en la dirección opuesta, y viceversa.Estas posiciones, llamadas nodos, se han indicado como N en la figura. Un insecto pequeño posado en un nodo sobre la cuerda vibrante no se movería hacia arriba y abajo a causa del movimiento ondulatorio. Entre los puntos nodales, las partículas de la cuerda se mueven hacia arriba y hacia abajo con movimiento armónico simple. Los puntos de máxima amplitud se presentan a la mitad de la distancia entre los nodos y se llaman antinodos. Un insecto pequeño que descansara sobre la cuerda en cualesquiera de estos puntos, marcados con A, experimentaría rapideces y deslizamientos máximos en la oscilación de la cuerda hacia arriba y hacia abajo. La distancia entre nodos alternados o antinodos alternados en una onda estacionaria es una medida de la longitud de onda de las ondas componentes.

Frecuencias características

 Consideremos las posibles ondas estacionarias que se pueden originar en una cuerda de longitud L cuyos extremos están fijos, como se muestra en la figura 21.12. Cuando la cuerda empieza a vibrar, los trenes de onda incidente y reflejado viajan en direcciones opuestas, con una misma longitud de onda. Los puntos extremos fijos representan las condiciones de frontera que restringen el número de posibles longitudes de onda que producirán las ondas estacionarias. Estos puntos extremos deben ser nodos de desplazamiento para cualquier patrón de ondas resultante. La onda estacionaria más sencilla posible se presenta cuando las longitudes de onda de las ondas incidentes y reflejadas son equivalentes al doble de la longitud de la cuerda. La onda estacionaria consiste en un bucle que tiene puntos nodales en cada extremo, como se ve en la figura 21.12a. Este patrón de vibración se conoce como el modo fundam ental de oscilación. Los modos superiores de oscilación se producirán para longitudes de onda cada vez más cortas. En la figura se observa que las longitudes de onda permitidas son las siguientes:

Las frecuencias correspondientes de vibración son, partiendo de que v = /A

donde v es la rapidez de las ondas transversales. Esta rapidez es la misma para todas las longitudes de onda, puesto que depende tan sólo de las características del medio vibrante. A las frecuencias que se obtienen mediante la ecuación (21.9) se les llama frecuencias características de vibración. En términos de la tensión F de la cuerda y de la densidad lineal fi, las frecuencias características son las siguientes:

La frecuencia más baja posible (v/2L) se conoce como la frecuencia fundamental f . Las otras frecuencias, que son múltiplos enteros de la fundamental, se conocen como sobretonos. La serie completa,

está conformada por la frecuencia fundamental y sus sobretonos, y se le conoce como serie armónica. La fundamental es la primera armónica; el primer sobretono (/., = 2 / ) es la segunda armónica; el segundo sobretono ( / 3 = 3/j) es la tercera armónica, y así sucesivamente. 



PROBLEMAS

fisica-1.jpeg

fisica-3.jpeg

LINKS DE LOS CUADROS SINOPTICOS 

https://drive.google.com/open?id=1GCh964eCDKTx0Fh5R9zuSc9Uf4YQYKAn


Capitulo 22 (Sonido)


El término sonido se usa de dos formas. Los fisiólogos lo definen en términos de las sensaciones auditivas producidas por perturbaciones longitudinales en el aire. Para ellos, el sonido no existe en un planeta distante.
Por otra parte, los físicos nos referimos a las perturbaciones por sí mismas y no a las sensaciones que producen. El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga por un medio elástico.
En este caso, el sonido existe en el planeta. En este capítulo el concepto sonido se usará en su significado físico.
Producción de una onda sonora

Son necesarios dos factores para que se produzca el sonido: una fuente de vibración mecánica y un medio elástico por el que se propague la perturbación. La fuente puede ser un diapasón, una cuerda que vibre o una columna de aire vibrando en un tubo de órgano. Los sonidos se producen por materia que se halla en vibración.

La rapidez del sonido

 Cualquier persona que haya visto a cierta distancia cómo se dispara un proyectil ha observado el fogonazo del arma antes de escuchar la detonación. Ocurre algo similar al observar el relámpago de un rayo antes de oír el trueno. Aunque tanto la luz como el sonido viajan a rapideces finitas, la de la luz es tan grande en comparación con la del sonido que puede considerarse instantánea. La rapidez del sonido puede medirse directamente determinando el tiempo que les toma a las ondas moverse a través de una distancia conocida. En el aire, a 0o C, el sonido viaja a una rapidez de 331 m/s (1087 ft/s).

En el capítulo 21 se estableció el concepto de que la rapidez de una onda depende de la elasticidad del medio y de la inercia de sus partículas. Los materiales más elásticos permiten mayores rapideces de onda, mientras que los materiales más densos retardan el movimiento ondulatorio. Las relaciones empíricas siguientes se basan en estas proporcionalidades. Para las ondas sonoras longitudinales en un alambre o varilla, la rapidez de la onda está dada por

donde Y es el módulo de Young para el sólido y p es su densidad. Esta relación es válida sólo para varillas cuyos diámetros son pequeños en comparación con las longitudes de las ondas sonoras longitudinales que se propagan por ellas. En un sólido extendido, la rapidez de la onda longitudinal es función del módulo de corte S, el módulo de volumen B y la densidad p del medio. La rapidez de la onda se puede calcular a partir de


Las ondas longitudinales transmitidas en un fluido tienen una rapidez que se determina con base en

donde B es módulo de volumen para el fluido y p su densidad. Para calcular la rapidez del sonido en un gas, el módulo de volumen está dado por

donde y es la constante adiabática (y = 1.4 para el aire y los gases diatómicos) y P es la presión del gas. Por tanto, la rapidez de las ondas longitudinales en un gas, a partir de la ecuación (22.3), está dada por

Pero para un gas ideal

donde R = 8.314 J/mol • kg (constante universal de los gases) T = temperatura absoluta del gas M = masa molecular del gas

sustituyendo:

vibraciones de columnas de aire

En el capítulo anterior se describieron los modos de vibración posibles para un resorte fijo en ambos extremos. La frecuencia de las ondas sonoras transmitidas en el aire que rodea al resorte es idéntica a la frecuencia del resorte vibratorio. Por tanto, las frecuencias posibles, o armónicas, de las ondas sonoras, producidas por un resorte vibratorio están dadas por

donde v es la velocidad de las ondas transversales en el resorte. El sonido también puede producirse por las vibraciones longitudinales de una columna de aire en un tubo que está abierto en ambos extremos, un tubo abierto, o uno que está cerrado en un extremo, un tubo cerrado. Al igual que en el resorte que se pone a vibrar, los modos de vibración posibles quedan determinados por las condiciones de frontera. Los modos de vibración posibles para el aire en un tubo cerrado se ilustran en la figura 22.4. Cuando se produce una onda de compresión en el tubo, el desplazamiento de las partículas de aire en el extremo cerrado debe ser igual a cero.

El extremo cerrado de un tubo debe ser un nodo de desplazamiento. El aire en el extremo abierto de un tubo tiene la mayor libertad de movimiento, por lo que el desplazamiento es libre en el extremo abierto. El extremo abierto de un tubo debe ser un antinodo de desplazamiento. 

 las longitudes de onda posibles son

La rapidez de las ondas sonoras está dada por v =/A , así que las frecuencias posibles para un tubo cerrado son

Cuando el número de nodos se incrementa de uno en uno, las longitudes de onda posibles en un tubo abierto son 

Entonces, las posibles frecuencias son,

Vibración forzada y resonancia

Cuando un cuerpo que está vibrando se pone en contacto con otro, este otro es forzado a vibrar con la misma frecuencia que el original.Hemos visto que los cuerpos elásticos tienen ciertas frecuencias naturales de vibración características del material y de las condiciones de frontera. Una cuerda tensa de una longitud definida puede producir sonidos de frecuencias características. Un tubo abierto o cerrado también tiene frecuencias naturales de vibración. Siempre que se aplican a un cuerpo una serie de impulsos periódicos de una frecuencia casi igual a alguna de las frecuencias naturales del cuerpo, éste se pone a vibrar con una amplitud relativamente grande. Este fenómeno se conoce como resonancia o vibración simpática.

El refuerzo del sonido por medio de la resonancia tiene múltiples aplicaciones, así como también buen número de consecuencias desagradables. La resonancia en una columna de aire en un tubo de órgano amplifica el débil sonido de una vibración de un chorro de aire vibrante. Muchos instrumentos musicales se diseñan con cavidades resonantes para producir una variedad de sonidos. La resonancia eléctrica en los receptores de radio permite al oyente percibir con claridad las señales débiles. Cuando se sintoniza la frecuencia de la estación elegida, la señal se amplifica por resonancia eléctrica. En auditorios mal diseñados o enormes salas de concierto, la música y las voces pueden tener un sonido hueco desagradable al oído. Se sabe que los puentes se destruyen debido a vibraciones simpáticas de gran amplitud producidas por ráfagas de viento.

Ondas sonoras audibles 

Sonido audible es el que corresponde a las ondas sonoras en un intervalo de frecuencias de 20 a 20 000 Hz. 

Las ondas sonoras que tienen frecuencias por debajo del intervalo audible se denominan infrasónicas. 

Las ondas sonoras que tienen frecuencias por encima del intervalo audible se llaman ultrasónicas.

La intensidad sonora es la potencia transferida por una onda sonora a través de la unidad de área normal a la dirección de la propagación.

Cuando la intensidad /1 de un sonido es 10 veces mayor que la intensidad / de otro, se dice que la relación de intensidades es de 1 bel (B).

donde I x es la intensidad de un sonido e /, la del otro.

Tono y calidad

 El efecto de la intensidad en el oído humano se manifiesta en sí mismo como volumen. En general, las ondas sonoras más intensas son también de mayor volumen, pero el oído no es igualmente sensible a sonidos de todas las frecuencias.

 Por tanto, un sonido de alta frecuencia puede no parecer tan alto como uno de menor frecuencia que tenga la misma intensidad. La frecuencia de un sonido determina lo que el oído juzga como el tono del sonido. 

Interferencia y pulsaciones

 La interferencia también se presenta en el caso de ondas sonoras longitudinales y el principio de superposición también se les aplica a ellas.El efecto vibrato que se obtiene en algunos órganos es una aplicación de este principio. Cada nota del vibrato es producida por dos tubos sintonizados a frecuencias ligeramente diferentes.

El efecto Doppler 

Siempre que una fuente sonora se mueve en relación con un oyente, el tono del sonido, como lo escucha el observador, puede no ser el mismo que el que se percibe cuando la fuente está en reposo. 

El efecto Doppler se refiere al cambio aparente en la frecuencia de una fuente de sonido cuando hay un movimiento relativo de la fuente y del oyente. 


PROBLEMAS



fisica-8.jpeg

LINK DEL VÍDEO (MOVIMIENTO ONDULATORIO)


https://drive.google.com/open?id=11R7gewnmDpb5bEHoNQ3dFthSSpbuqv7d