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Intensidad Sonora - Jesús Enrique Santiago García

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Intensidad Sonora (I)
Es la potencia transferida por una onda sonora a través de la unidad de área perpendicular a la dirección dela propagación.
Umbral de audición (Io)
Es la intensidad mínima para que un sonido sea audible. Su valor a una frecuencia de 1000 Hz es:
Io = 1x10-12 W/m2
Umbral del dolor (IP)
Representa la intensidad máxima que el oído promedio puede registrar sin sentir dolor. Su valor es:
IP = 1 W/m2
Bel (B)
Cuando la intensidad de un sonido I1 es 10 veces mayor que la intensidad de otro I2, se dice que la relación deintensidad es de 1 bel (B).
Cuando se compara la intensidad de dos sonidos, la diferencia entre dos niveles de intensidad es:
Ejemplo. Dos sonidos tienen intensidades de 2.5x10-8 W/m2 y 1.2 W/m2. ¿Cuál es la diferencia de niveles de intensidad en beles?
DeciBel (dB)
En la práctica la unidad de intensidad Sonora es el decibel.
Utilizando la intensidad Io (umbral de audición) como patrón de comparación para todas las intensidades, es posible establecer una escala general para valorar cualquier sonido. El nivel de intensidad en decibeles de cualquier sonido de intensidad I puede calcularse a partir de:
Ejemplo. Calcular la intensidad de un sonido en decibeles cuya intensidad es de 1x10-4W/m2.
Debido a que es una escala logarítmica de los decibeles un sonido de 40 dB es mucho más que el doble de intensidad de un sonido de 20 dB
Espectro sonoro
El espectro sonoro es el conjunto de frecuencias de vibración que pueden ser producidas por diversas fuentes sonoras. Se encuentra dividido en tres zonas distintas: Infrasonidos, Sonidos audibles y Ultrasonidos
· El Ser Humano sólo consigue captar vibraciones con frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20 000Hz.
· Los sonidos de 20 Hz son los más graves que nuestros oídos captan. Los sonidos de 20 000 Hz son los más agudos que nuestros oídos captan.
· Los seres humanos pueden producir sonidos dentro de las frecuencias de 85 Hz a 1100 Hz.
· Los perros pueden oír sonidos entre los 15 Hz y los 50000 Hz y producen sonidos entre los 452 Hz y los 1800 Hz.
· Los murciélagos pueden oír sonidos de frecuencias entre los 1000 Hz y los 120 000 Hz, pero sólo producen sonidos a partir de los 10 000 Hz.
Espectro electromagnético
Radiación electromagnética
La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.
La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible, rayos X o rayos gamma. A diferencia de las ondas mecánicas, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío.
Existen fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética que pueden ser estudiados como la interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes en la materia. Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad. Todos estos fenómenos consisten en la emisión de radiación electromagnética en diferentes rangos de frecuencias. La presentación de los diversos tipos de radiación electromagnética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.
Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los rayos gamma hasta las ondas de radio, pasando por el espectro visible.
Características de las ondas electromagnéticas
En una onda electromagnética, un campo magnético oscilante induce un campo eléctrico oscilante, el cual a su vez induce un campo magnético oscilante y así sucesivamente.
La onda electromagnética es una perturbación constituida por odas eléctricas y magnéticas perpendiculares entre sí.
Todas las ondas electromagnéticas tienen la misma naturaleza y se propagan con la misma velocidad que es la de la luz (c = 3x108m/s), pero cada clase se caracteriza por su longitud de onda () y su frecuencia (f).
Una de las características importantes de una onda electromagnética es que puede transportar energía de un punto a otro. En 1900, Max Planck afirmó que la radiación era emitida en forma de cuantos, paquetes de energía de frecuencia determinada, a los que Einstein llamó fotones.
Fenómenos del movimiento ondulatorio
Son los efectos y propiedades exhibidas por las entidades físicas que se propagan en forma de onda:
Reflexión
La reflexión de las ondas se presenta cuando estas encuentran un obstáculo que les impide propagarse, chocan cambiando su sentido sin modificar sus demás características.
 A B
A) Reflexión de pulso transversal en una frontera fija.
B) Un pulso longitudinal viaja por el resorte y se refleja en el extremo Fijo.
 
Superposición de ondas
Se presenta cuando dos o más odas se sobreponen sumándose vectorialmente sus amplitudes para obtener una onda resultante. Cuando se superponen dos trenes de ondas se produce una interferencia, la cual puede ser constructiva o destructiva.
Interferencia constructiva
Se presenta cuando la resultante de dos ondas con la misma frecuencia y longitud tiene mayor amplitud que estas.
Principio de superposición
Interferencia destructiva
Se presenta cuando la resultante tiene menor amplitud que alguna de las ondas.
Refracción
Se presenta cuando las ondas pasan de un medio a otro de diferente densidad o bien en el mismo medio con diferentes condiciones. Esto origina que las ondas cambien su velocidad y longitud conservando su frecuencia.
Cambio de longitud y velocidad de la onda para diferentes características del medio
Difracción
Es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio.
Se producen ondas curvas al pasar por una ranura ondas planas. Al pasar por dos ranuras se producen dos fuentes de ondas que producen un patrón característico.
Resonancia
Es el fenómeno en el que un sistema vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la misma frecuencia que la frecuencia natural del sistema.
En aplicaciones de sonido, una frecuencia de resonancia es una frecuencia natural de vibración determinada por los parámetros físicos del objeto vibrante. Esta misma idea básica de frecuencias naturales determinadas físicamente, se aplica a través de la física, a la mecánica, la electricidad y el magnetismo, e incluso a todo el ámbito de la física moderna.
El diapasón B vibrará si se hace vibrar el diapasón A y ambos tienen la misma frecuencia natural
Aplicaciones y presencia de la resonancia
Efecto Doppler
Es un cambio aparente en la frecuencia de un sonido, durante el movimiento relativo entre el observador y la fuente sonora.
En la figura se ilustra este efecto. La fuente sonora se mueve hacia la derecha, con una cierta velocidad, emitiendo ondas que se propagan en círculos centrados en la posición de la fuente (los observadores están ubicados uno adelante y otro atrás de la fuente en el momento que se generan las ondas.)
La frecuencia de la fuente sonora no cambia, pero cuando la fuente se acerca hacia el observador de adelante, más ondas se acumulan entre ellos. La longitud de onda se acorta. Aunque la velocidad del sonido no cambia, la frecuencia del sonido detectado aumenta.
En cambio, cuando la fuente se aleja del detector (de la persona que está detrás), la longitud de onda aumenta y la frecuencia detectada es menor. El efecto Doppler también se presenta si la fuente se encuentra estacionaria, y el detector está en movimiento.
Si la fuente emisora está detenida (sin movimiento) ambos observadores percibirán la misma frecuencia en la misma longitud de onda.
Si la fuente emisora se mueve hacia adelante las ondas se juntan (se acortan) aumentando la frecuencia. Parael observador de atrás, las ondas se alargan (se separan), disminuyendo la frecuencia.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Sound/dopp2.html
Ondas con la misma longitud y frecuencia en todas direcciones de una fuente fija. En la fuente móvil las ondas delante de esta acortan su longitud y aumenta su frecuencia (tono agudo), las traseras tienen mayor longitud y menor frecuencia (tono grave).
El efecto Doppler posee diversas aplicaciones. Los detectores de radar lo utilizan para medir la rapidez de los automóviles y de las pelotas en varios deportes. Los astrónomos utilizan el efecto Doppler de la luz de galaxias distantes para medir su velocidad y deducir su distancia. Los murciélagos lo emplean para detectar y cazar a un insecto en pleno vuelo. Cuando el insecto se mueve más rápidamente que el murciélago, la frecuencia reflejada es menor, pero si el murciélago se está acercando al insecto, la frecuencia reflejada es mayor.
Aplicaciones del estudio de las ondas
Movimiento armónico simple
Es una aplicación del movimiento oscilatorio. Se produce cuando un objeto se mueve alternativamente. Por ejemplo, al unirlo al extremo inferior de un resorte vertical haciéndolo subir y bajar al aplicarle una fuerza.
El estudio de este movimiento se realiza mediante la interpretación de las ondas generadas utilizando las funciones trigonométricas seno y coseno.
Al oscilar el resorte se puede estudiar las condiciones de movimiento mediante las funciones seno y coseno ya que al transcurrir el tiempo se forma gráficamente una onda.
Una aplicación se presenta en un sismógrafo, el cual consiste en un objeto con un marcador en contacto con papel en movimiento. Dicho objeto se mueve alternativamente cuando se presenta un sismo ya que se sujeta en un extremo de un resorte.
Los terremotos
Un terremoto es la vibración de la Tierra producida por una rápida liberación de energía. Lo más frecuente es que los terremotos se produzcan por el deslizamiento de la corteza terrestre a lo largo de una falla. La energía liberada irradia en todas las direcciones desde su origen, el foco o hipocentro, en forma de ondas. Estas ondas son análogas a las producidas cuando se lanza una piedra en un estanque tranquilo. Un terremoto genera ondas sísmicas que irradian a través de la Tierra. Aun cuando la energía de las ondas sísmicas se disipa rápidamente conforme se alejan del foco, instrumentos sensibles localizados por todo el mundo registran el acontecimiento.
El foco es la zona del interior de la Tierra donde se produce el desplazamiento inicial. El epicentro es el punto de la superficie que está directamente encima del foco.
Sismología
Los sismógrafos son instrumentos que registran las ondas sísmicas. Estos dispositivos tienen una masa suspendida libremente de un soporte que se fija al terreno. Cuando la vibración de un terremoto lejano alcanza el instrumento, la inercia de la masa suspendida la mantiene relativamente estacionaria, mientras que la Tierra y el soporte se mueven. El movimiento de la Tierra con respecto a la masa estacionaria se registra en un tambor giratorio o una cinta magnética.
El siguiente es un sismógrafo diseñado para registrar el movimiento vertical del terreno. El movimiento de las ondas superficiales es algo más complejo. A medida que las ondas superficiales viajan a lo largo del suelo, hacen que éste se mueva y todo lo que descansa sobre él, de manera muy parecida a como el oleaje oceánico empuja un barco. Además de su movimiento ascendente y descendente, las ondas de superficie tienen un movimiento lateral similar a una onda orientada en un plano horizontal. Este último movimiento es particularmente peligroso para los cimientos de las estructuras.
A continuación, se muestran diferentes tipos de ondas sísmicas y su movimiento característico. (Obsérvese que, durante un terremoto fuerte, el temblor de tierra consta de una combinación de varios tipos de ondas sísmicas).
A. como se ilustra con un muelle, las ondas P son ondas compresionales que alternan la compresión y la expansión del material que atraviesan. El movimiento hacia delante y hacia atrás producido cuando las ondas compresionales recorren la superficie puede hacer que el terreno se doble y se fracture, y pueden provocar la rotura de las líneas eléctricas.
B. Las ondas S hacen que el material oscile en ángulo recto con la dirección del movimiento de la onda. Dado que las ondas S pueden desplazarse en cualquier plano, producen un temblor de tierra vertical lateral.
C. Un tipo de onda superficial es, en esencia, el mismo que el de una onda S que exhibe sólo movimiento horizontal. Este tipo de onda superficial mueve el terreno de un lado a otro y puede ser particularmente dañino para los cimientos de los edificios.
D. Otro tipo de onda superficial recorre la superficie terrestre de una manera muy parecida a las olas oceánicas fuertes. Las flechas muestran el movimiento elíptico de la roca cuando pasa la onda.
Los registros obtenidos con los sismógrafos proporcionan mucha información relativa al comportamiento de las ondas sísmicas. Dicho sencillamente, las ondas sísmicas son energía elástica que irradia en todas las direcciones desde el foco. Los sismógrafos revelan que el deslizamiento de una masa de roca genera dos grupos principales de ondas sísmicas. Uno de esos grupos de ondas que viajan sobre la parte externa de la Tierra se conoce como ondas superficiales. Otros viajan a través del interior de la Tierra y se denominan ondas de cuerpo, Las ondas de cuerpo se dividen a su vez en dos tipos, que se denominan ondas primarias o P y ondas secundarias o S.
Las ondas sísmicas son útiles para determinar la localización y la magnitud de los terremotos. Además, proporcionan una herramienta para estudiar el interior de la Tierra.
La siguiente figura ilustra un sismograma típico. Obsérvese el intervalo temporal (aproximadamente 5 minutos) transcurrido entre la llegada de la primera onda P y la llegada de la primera onda S.
Contaminación sonora y electromagnética
Contaminación acústica
El exceso de sonido que altera las condiciones ambientales normales en una determinada zona y degrada la calidad de vida de los habitantes de esa zona.
El término contaminación acústica hace referencia al ruido (entendido como sonido excesivo y molesto), provocado por la actividad humana (tráfico, industrias, locales de ocio, aviones, etc.), que produce efectos negativos sobre la salud física y mental de las personas.
Este término está estrechamente relacionado con el ruido debido a que la contaminación acústica se da cuando el ruido es considerado como un contaminante, es decir, un sonido molesto que puede producir efectos nocivos para la salud.
Este tipo de contaminación al igual que todas es muy importante debido a que no se trata solo de nuestra salud sino de la de toda la sociedad, el exceso de ruido nos puede causar un daño en el aparato auditivo y a un aumento en el nivel de estrés afectando la condición emocional de la persona expuesta por tiempos prolongados.
Contaminación electromagnética
El concepto de contaminación electromagnética, también conocida como electro polución, se refiere a la presunta existencia de una exposición excesiva a las radiaciones de espectro electromagnético (o campos electromagnéticos) generadas por equipos electrónicos u otros elementos producto de la actividad humana.
Esta contaminación nos trae problemas en nuestra salud no solo un órgano sino varios y es necesariamente tomar consciencia de todas las recomendaciones que se nos dan para llevar una vida sana. Las tomas de corriente propagan unas ondas electromagnéticas las cuales llegan a nuestro cuerpo y nos pueden causar diversos trastornos, según el tiempo de exposición y la sensibilidad de la persona.
Crisis de la física clásica y origen de la física cuántica
Física Clásica y Física contemporánea
A fines del siglo XIX se dieron dos aspectos de la Física que revolucionaron el conocimiento teniendo en cuenta que en ese momento la comunidad científica consideraba que todos losfenómenos tenían explicación mediante las leyes conocidas de la llamada Física clásica que inicia su recorrido a partir de los antiguos griegos.
Dichos aspectos son la teoría cuántica y la relatividad.
Producción de ondas electromagnéticas
En la antigüedad la luz se consideraba una agrupación de partículas emitidas por el observado o por el observador.
Isaac Newton: Respalda la teoría de que la luz son partículas, pero estas son emitidas por una fuente luminosa.
Christian Huygens: En 1678 Define a la luz como un movimiento ondulatorio.
James Clerk Maxwell: En 1864, unificó la electricidad y el magnetismo a través de un conjunto de ecuaciones.
En 1873 afirmó que la luz era una forma de ondas electromagnéticas de alta frecuencia.
A finales del siglo XIX (1887), el físico alemán R. Heinrich Hertz confirmó experimentalmente las predicciones de Maxwell. James C. Maxwell (1837-1879) intuyó que, si un campo magnético variable en el tiempo lleva asociado un campo eléctrico inducido, un campo eléctrico variable debía inducir un campo magnético. Son cuatro las ecuaciones de Maxwell o ecuaciones del campo electromagnético que representan de forma matemática las leyes de Coulomb, Biot y Savart, Ampere y Faraday-Henry
El experimento de Hertz consistió en producir ondas electromagnéticas en un circuito formado por dos esferas conectadas a una bobina de inducción. Al producir descargas o chispas eléctricas oscilantes entre las esferas, se originan radiaciones electromagnéticas, pues toda carga eléctrica acelerada emite energía en forma de radiación electromagnética.
Hertz diseñó un receptor o antena para detectar las ondas que debían producirse. Si las ondas electromagnéticas llegaban a este se producía en él una corriente oscilante que hacía saltar chispas entre sus esferitas.
Con sus experimentos Hertz demostró que estas ondas eran de origen electromagnético y que su velocidad era la de la luz según había predicho años antes Maxwell.
De las ecuaciones de Maxwell se deduce que, si una partícula cargada se mueve con aceleración emite ondas electromagnéticas. Así, en el experimento de Hertz la chispa que salta de una esfera a la otra está constituida por electrones acelerados que emiten ondas electromagnéticas.
El mecanismo fundamental de la emisión de una onda electromagnética es la aceleración de una partícula cargada. Siempre que una partícula cargada se acelera radia energía.
Efecto fotoeléctrico
Un fenómeno que no se podía explicar mediante la teoría de Maxwell consiste en hacer incidir radiación sobreciertos metales, observándose que éstos despiden electrones. Éste es el efecto fotoeléctrico.
Hertz y W. Hallwachs encontraron que una placa metálica con carga eléctrica negativa podía perder su carga al ser iluminada con radiación ultravioleta.
Fue Philipp Lenard quien, en 1902, demostró que estos fenómenos se debían a la expulsión de electrones del metal bajo el estímulo de la radiación.
¿Qué es el efecto fotoeléctrico?
La luz incidente sobre ciertas superficies metálicas, provoca la emisión de electrones de esas superficies.
Los electrones que intervienen son conocidos con el nombre de fotoelectrones.
Esquema del efecto fotoeléctrico: al incidir haces de luz (fotones) sobre ciertos materiales, se produce una emisión de electrones.
La velocidad de los fotoelectrones aumenta con la frecuencia, pero no con la intensidad de la radiación.
Para un metal dado existe un cierto valor de la frecuencia de la radiación “frecuencia de umbral” por debajo de la cual no se produce emisión de fotoelectrones.
En un intento de hacer concordar el experimento del efecto fotoeléctrico con la teoría de Maxwell, Planck postuló que la energía electromagnética es absorbida o emitida en paquetes discretos conocidos como cuantos. La energía de dichos cuantos, es proporcional a la frecuencia de radiación E = hf.
Donde h es la constante de proporcionalidad conocida con constante de Planck.
Cuantización de la energía y efecto fotoeléctrico
En 1905, Albert Einstein ofreció una sugerente explicación del efecto fotoeléctrico. Según Einstein, la radiación electromagnética está formada por partículas, a las que llamó fotones, cuya energía sería proporcional a la frecuencia de la onda asociada. De este modo, el intercambio de energía entre la radiación y la materia sólo sería posible en valores múltiplos de un cuanto elemental, como el traspaso de un número entero de fotones.
Einstein usa el concepto de cuantización, la energía de una onda lumínica está en partículas llamadas fotones, por lo que está cuantizada: E = hf. Interpreta que la luz está integrada por cuantos individuales.
Einstein sugirió que la luz podía considerarse como compuesta por pequeñísimos corpúsculos, cuantos de luz o fotones, cada uno de los cuales tenía una cantidad de energía igual a hf.
Al incidir la onda sobre la superficie metálica, un electrón en reposo absorbe un fotón de energía
E = h f.
La función de trabajo (W0) es la energía necesaria para arrancar los primeros fotoelectrones de la palca
La frecuencia de umbral (f0) es la frecuencia mínima con que los electrones son desalojados de la placa.
La longitud de onda de umbral (0) es la longitud de onda que corresponde a la frecuencia de umbral.
La energía cinética de los fotoelectrones (Ec) es la energía que adquieren estos por el movimiento entre las placas.
La energía cinética de los electrones emitidos depende de la frecuencia de la radiación incidente y de la posición que ocupa ese electrón en el metal.
Ec = h f – W
Ejemplo. Una superficie de cobre emite los primeros fotoelectrones cuando la longitud de onda de la radiación incidente es 282 nm. Calcular. a) La frecuencia de umbral para el cobre, b) la función de trabajo para este metal, c) La energía cinética de los fotoelectrones desalojados cuando una luz de 250 nm incide en la placa.
Ejercicios. Efecto fotoeléctrico
1. La frecuencia de umbral para cierto metal es 2.5x1014Hz. Calcular: a) la función de trabajo, b) la energía cinética de los fotoelectrones emitidos, si una luz de 400nm incide sobre esta superficie. Resp. 1.65 x 10-19
J, 3.313 x 10-19 J
2. Se necesita luz de 650nm de longitud de onda para provocar la emisión de electrones de una superficie metálica, ¿cuál es la energía cinética de los electrones si la superficie es bombardeada con luz de longitud de onda de 450nm? Resp. 1.359 x 10-19 J

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