Unidad 6

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Física e Introducción a la biofísica 
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Apunte de Cátedra 
Unidad 6. Introducción al manejo de señales 
en los seres vivos 
 
 
 
 
El hombre y los animales se interrelacionan con su entorno mediante un continuo intercambio 
de materia y energía. Esta relación aporta la información imprescindible para adaptarse a un 
medio externo, en principio, hostil. Dicha información llega al individuo y es captada por diversos 
sentidos. 
Los órganos de los sentidos actúan como sistemas de transducción y amplificación que detectan 
señales de diferentes tipos provenientes del exterior. La visión y la audición son unos de los 
sistemas más importantes para relacionar al individuo con su entorno. 
En esta unidad, desarrollaremos los principios básicos y las leyes que nos ayudarán a 
comprender los fenómenos asociados con la luz y el sonido. 
 
Los contenidos que se trabajarán en esta unidad son: 
 
 Fenómenos ondulatorios 
 Tipos de ondas 
 La luz 
 Óptica geométrica y ondulatoria 
 Sonido 
 Bases físicas de la visión y la audición 
 
Fenómenos ondulatorios 
La transmisión de energía entre dos puntos se puede realizar de dos maneras: 
 Con transporte de materia 
 Sin transporte de materia. 
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En el primer caso, un ejemplo común es el de una piedra que se arroja e impacta contra un 
vidrio o, también, una bala disparada por un fusil. 
En el segundo caso, son ejemplos la luz y el sonido, en los cuales transporta energía, pero 
no materia. 
Para comprender este último ejemplo, comenzaremos con la definición de onda: es una 
oscilación en el espacio y en un tiempo, que avanza o se propaga en un medio material o incluso 
en el vacío. La perturbación de las moléculas en un punto, afecta las moléculas vecinas, las 
cuales a su vez, actúan sobre las más lejanas. De esta forma, se propaga la perturbación hacia 
delante y las moléculas solo se desplazan levemente y por un corto tiempo de sus posiciones 
normales. 
 
Tanto la luz como el sonido transportan energía en forma 
de ondas 
 
Según su naturaleza, podemos clasificar las ondas en: 
 
 Ondas mecánicas: una onda mecánica es una perturbación que viaja por un material o 
una sustancia que es el medio de la onda. Al viajar la onda por el medio, las partículas 
que constituyen el medio sufren desplazamientos de varios tipos, dependiendo de la 
naturaleza de la onda. El medio no viaja por el espacio; sus partículas individuales 
realizan movimientos horizontales y/o verticales alrededor de sus posiciones de equilibrio. 
Lo que viaja es el patrón general de la perturbación ondulatoria. Las ondas mecánicas 
necesitan un medio elástico para poder transmitirse. No se propaga en el vacío. El 
sonido es una onda mecánica. Las ondas transportan energía, pero no materia, 
de una región a otra 
 
 Ondas electromagnéticas: Las ondas electromagnéticas se propagan mediante una 
oscilación de campos eléctricos y magnéticos. No necesitan de un medio para 
propagarse, pueden propagarse en el vacío. Por eso, la luz del Sol llega a la Tierra 
después de recorrer una gran distancia en el vacío. Las ondas electromagnéticas viajan 
aproximadamente a una velocidad de 300.000 km por segundo en el vacío. La luz es 
una onda electromagnética. 
 
Todas las ondas tienen una dirección de propagación. Según como es la oscilación de la onda 
en función de la dirección de propagación, las ondas se pueden clasificar en: 
 
1. Ondas transversales. La onda se mueve en sentido transversal a la dirección de 
propagación. La luz es una onda transversal 
2. Ondas longitudinales. La vibración es en el mismo sentido que la dirección de 
propagación. El sonido es una onda longitudinal. 
 
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En la siguiente figura, se ilustran ejemplos de ondas longitudinales y transversales. En la foto 
de arriba, se observa una onda longitudinal que oscila en la misma posición que la dirección de 
propagación de la onda. En la foto de abajo, se representa una onda que se trasmite en el 
resorte, oscilando en forma transversal a la dirección de propagación. 
 
 
 
 
Características de una onda 
 
 
 
Todo movimiento ondulatorio, al transmitirse presenta las siguientes características: 
 Cresta: es la posición más alta con respecto a la posición de equilibrio. 
 Valle: es la posición más baja con respecto a la posición de equilibrio. 
 Ciclo: es una oscilación o viaje completo de ida y vuelta. 
 Amplitud de onda (A): en una onda mecánica es el máximo alejamiento de cada 
partícula con respecto a la posición de equilibrio. En una onda electromagnética es la 
altura respecto a la dirección de propagación. 
 Período (T): es el tiempo necesario para que la onda describa un ciclo. 
 Frecuencia (): es el número de ondas (ciclos) emitidas en un segundo. Su unidad 
más frecuente es el Hertz (Hz) que equivale a 1/s. 
 Longitud de onda (): es la distancia entre cresta y cresta o entre valle y valle. 
 Velocidad (V): es la velocidad de propagación de la onda. 
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Vemos la relación entre los distintos parámetros: 
 
𝐯 = 

𝐓
 =
𝐜𝐦
𝐬
 
v: velocidad 
: longitud de onda 
T: período 
 
 = 
𝟏
𝐓
= 
𝟏
𝐬
= 𝐇𝐳 
: frecuencia 
T: período 
 
 = 
𝐯

=
𝐜𝐦/𝐬
𝐜𝐦
= 
𝟏
𝐬
= 𝐇𝐳 
: frecuencia 
v: velocidad 
: longitud de onda 
 
La luz 
Los primeros documentos que especulan sobre la naturaleza de la luz datan del primer milenio 
antes de Cristo. No solamente hay testimonios en Grecia, sino también en China e India. Sin 
embargo, en la cultura occidental son las ideas de los filósofos griegos las que más influencia 
han tenido, y en ellas nos centraremos. 
Más que en la formación de las imágenes, los griegos estaban interesados en el proceso de la 
visión. Para ellos el ojo emitía una especie de "fuego" que permitía "ver" los cuerpos. Aristóteles 
rechazó la idea de los "flujos de fuego" (los átomos emitidos por los cuerpos) e introdujo un 
medio que lo llenaba todo (el éter), y cuyo objetivo era permitir la transmisión de algunas 
propiedades intrínsecas de los objetos para que los podamos ver. La "transparencia" de este 
medio se debía a las fuentes de luz como el Sol o el fuego. Afirmaba, además, que el proceso 
de visión era instantáneo. 
No fue hasta un milenio después que Ib Al Haytham (Alhacén), quien en su monumental tratado 
sobre óptica llamado Kitab al-Manazir (Opticae Thesaurus), estableció que la luz emana de los 
cuerpos luminosos, llega a los objetos y de los objetos va hacia los ojos. 
Desde aquel momento pasaron cerca de 600 años para que la ley de la refracción fuera 
establecida por Willebrord Snel van Royen, más conocido como Snell. 
Christiaan Huygens publicó en 1690 una obra que había terminado en 1678 titulada Traité de la 
Lumière. Huygens discrepó la idea de que la luz consiste en el transporte de una serie de 
"átomos" ya que cuando nos llega luz de distintos sitios, no se distorsiona (los átomos 
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"chocarían" y la luz se desviaría). De este modo, por analogía con el sonido que se propaga por 
el aire como la vibración de unas partículas a otras, Huygens concluyó que la luz debe consistir 
en un movimiento de una materia que llena todo el espacio, el éter. Dicho movimiento se 
extiende en forma de superficies y ondas esféricas igual que en el sonido. Huygens las llama 
ondas por analogía con lasondas que se observan en el agua cuando cae una piedra. 
Unos años después de la publicación del libro de Huygens, Isaac Newton publicó Opticks. 
Durante el siglo XVIII esta obra dominó el campo de la óptica de manera casi exclusiva: 
comienza demostrando que los distintos colores se refractan de distinta forma y que la luz del 
Sol está compuesta de luces de distintos colores. A pesar de todo esto, para Newton la luz estaba 
formada por cuerpos muy pequeños emitidos por los objetos brillantes y no por ondas como 
indicaba Huygens. Los estudios teóricos de James Clerk Maxwell que demostraban que el campo 
electromagnético se propaga en el vacío con una velocidad igual a la de la luz y, luego los 
experimentos de Hertz en 1888, llevaron a la conclusión de que la luz es un fenómeno 
electromagnético. 
Poco después, surgió la teoría cuántica y, con ésta última, la luz volvió a estar compuesta de 
partículas, los fotones, aunque sin perder su naturaleza ondulatoria. 
 
Óptica geométrica 
Es el recorte de la óptica que trata, a partir de representaciones geométricas, los cambios de 
dirección que experimentan los rayos luminosos en los distintos fenómenos de reflexión y 
refracción 
 
Reflexión de la luz 
Es el fenómeno que se observa cuando un rayo de luz incide sobre una superficie y se refleja. 
Su estudio se basa en dos leyes: 
 Primera ley: El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano. 
 Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. 
 
 
 N 
 
 Ri Rr 
 
 
 i i´ 
 
 
 
Ri: rayo incidente. 
Rr: rayo reflejado. 
N: normal 
i: ángulo de incidencia. 
i´: ángulo de reflexión. 
 
Recuerden que el ángulo incidente está comprendido entre el rayo incidente y la normal. El 
ángulo de reflexión está comprendido entre el rayo reflejado y la normal. 
 
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Refracción de la luz 
Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido 
a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A 
este fenómeno se le llama refracción. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, 
en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este 
fenómeno óptico. 
El cociente entre la velocidad de la luz en el vacio (c) y la velocidad de la luz en un medio (v) se 
denomina índice de refracción absoluto y se representa con la letra n. matemáticamente se 
fórmula es: 
𝐧 = 
𝐜
𝐯
 
 
En el siguiente cuadro figuran los índices de refracción para diferentes materiales 
 
 
Material Índice de refracción 
Vacío 
 
1 
Aire 
 
1,0002926 
Agua 
 
1,333 
Glicerina 
 
1,473 
Cuarzo 
 
1,544 
Diamante 
 
2,42 
 
 
El índice de refracción depende del medio, de la temperatura del mismo y de la frecuencia de la 
luz que lo traviesa. Siempre es igual o mayor a uno y no tiene unidades, ya que es un cociente 
entre velocidades. Vamos a tomar al índice de refracción (n) del aire como 1 por considerar que 
la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente igual a la de la luz en el vacío. También 
hay dos leyes en la refracción: 
 
 Primera ley: el rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en un mismo plano. 
 Segunda ley: se cumple la ley de Snell: 
 
sen i . n1 = sen r . n2 
 
i: ángulo de incidencia. 
n1: índice de refracción del medio de incidencia. 
r: ángulo de refracción. 
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n2: índice de refracción del medio donde se refracta. 
 
Cuando el rayo pasa de un medio de menor índice de refracción a uno mayor, el rayo refractado 
se acerca a la normal. El siguiente gráfico representa dicha situación. 
 
 
 N 
 Ri 
 
 
 n1  n2 i 
 n1 
 n2 
 r 
 
 
 
 Rr 
 
Ri: rayo incidente. 
i: ángulo de incidencia. 
Rr: rayo refractado. 
r: ángulo de refracción. 
 
Cuando el rayo pasa de un medio con mayor índice de refracción a uno menor, el rayo refractado 
se aleja de la normal. Veamos esta situación en el siguiente gráfico: 
 
 
 N 
 
 
 n1  n2 
 i 
 n1 
 n2 r 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Si el ángulo de incidencia aumenta, también aumentará el ángulo de refracción. Llegará un 
momento que habrá un ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción de 90°. 
Llamamos ángulo límite, al ángulo de incidencia que produce un ángulo de refracción 
de 90°. Un ángulo límite solo se produce si el rayo pasa de un medio de mayor índice de 
refracción a uno menor, tal como se observa en el siguiente gráfico: 
 
 
 
 
 n1  n2 iL 
 n1 
 n2 r=90° 
 
 
iL: ángulo limite 
 
 
Si aplicamos la ley de Snell, el ángulo límite nos queda de esta forma: 
sen i . n1 = sen r . n2 
sen i . n1 = sen 90° . n2 
sen 90° = 1 
 
𝐬𝐞𝐧 𝐢𝐋 = 
𝐧𝟐
𝐧𝟏
 
 
En el caso que el rayo incida con un ángulo mayor al ángulo límite, se produce el fenómeno de 
reflexión total y no hay rayo refractado. 
La fibroscopía es una aplicación de la reflexión total que se la utiliza como método diagnóstico 
en la medicina. Es la base física de estudios como la broncoscopía, laparascopía, colonoscopía, 
etc. 
 
Sonido 
La historia del sonido está enlaza intrínsecamente con la historia de las ondas. Una de las 
primeras referencias al sonido como una onda, se encuentra en una declaración hecha por 
Aristóteles al indicar que el movimiento del aire se genera por una fuente, moviéndose hacia 
adelante para que las ondas sonoras inalteradas se propaguen, hasta donde la perturbación en 
el aire sea sostenible. 
Galileo Galilei contribuyó significativamente a nuestra comprensión del sonido, al demostrar que 
la frecuencia de ondas sonoras determina el tono. Esto lo hizo raspando un cincel en un plato de 
latón produciendo un chillido. De esta manera, relacionó el espacio de las ranuras inducido por 
el cincel al tono del chillido. 
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Robert Boyle, en un clásico experimento de 1660, probó que el sonido no puede viajar a través 
del vacío, con lo cual se infiere que necesariamente deberá propagarse por un medio y en forma 
de onda. 
Isaac Newton publicó una descripción matemática sobre cómo el sonido viaja en su recorrido. 
Desarrollos teóricos significantes fueron alcanzados durante el siglo XVIII, gracias a las 
contribuciones de Joseph Louis Lagrange, Johann Bernoulli y LeonhardEuler, entre otros. Sin 
embargo, el tratamiento matemático completo del sonido no fue posible hasta el siglo XIX 
cuando Georg Simón Ohm aplicó el análisis armónico desarrollado por Joseph Fourier a la teoría 
del sonido. 
Durante el siglo XIX, la teoría del sonido continuó su desarrollo. La invención de dispositivos 
como el micrófono, el fonógrafo y el teléfono fue muy útil en el estudio del sonido. Más adelantos 
tecnológicos durante el siglo XX, permitieron la grabación y reproducción del sonido de alta 
fidelidad. 
 
Características del sonido 
De todas las ondas mecánicas que se dan en la naturaleza, las más importantes en nuestra vida 
diaria son las ondas longitudinales en un medio, usualmente aire, llamadas ondas sonoras. La 
razón es que el oído humano es muy sensible y puede detectar ondas sonoras incluso de muy 
baja intensidad. Además de su uso en la comunicación verbal, nuestros oídos nos permiten 
captar una multitud de indicios acerca de nuestro entorno, desde el grato sonido de la 
preparación de alimentos, hasta el sonido de advertencia de un vehículo que se acerca. La 
capacidad para escuchar a un depredador nocturno, fue fundamental para la supervivencia de 
nuestros antepasados, así que no es exagerado decir que los seres humanos debemos la 
existencia a nuestro sentido del oído, altamente evolucionado. 
Lo que más nos interesa en esta unidad son las ondas sonoras en aire; aunque el sonido puede 
viajar por cualquier gas, líquido o sólido. 
La onda sonora siempre viaja o se propaga por el medio con una velocidad definida llamada 
velocidad de propagación o, simplemente, velocidad de la onda, determinada por las 
propiedades mecánicas del medio. Usaremos el símbolo v para esta velocidad. 
La velocidad del sonido en el aire es de 341 m/s a 15°c y a una presión de 756 mmHg. El sonido 
se propaga a mayor velocidad en sólidos que en líquidos y mayor, también, en líquidos que en 
gases. 
En el siguiente cuadro vemos la velocidad del sonido en diferentes materiales: 
 
Material 
 
Velocidad del sonido (m/s) 
 
Aire (20 °C) 
 
344 
 
Helio (20 °C) 
 
999 
 
Hidrógeno (20 °C) 
 
1330 
 
Agua (0 °C) 
 
1402 
 
Agua (20 °C) 
 
1482 
 
Aluminio 
 
6420 
 
Acero 
 
 
5941 
 
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Para poner en movimiento las partículas que generarán el sonido, debemos aportar energía 
realizando trabajo mecánico sobre el sistema. La onda transporta esta energía de una región del 
medio a otra. Las ondas transportan energía, pero no materia, de una 
región a otra. 
La frecuencia de una onda sonora es el factor primordial que determina el tono de un sonido, 
cualidad que nos permite clasificarlo como “agudo” o “grave”. La frecuencia se mide en Hertz 
(Hz). Cuanta más alta sea la frecuencia de un sonido (dentro de la gama audible), más agudo 
será el tono percibido. El sonido más grave de una guitarra corresponde a una frecuencia de 
82,4 Hz y el más agudo a 698,5 Hz. 
 
Percepción de ondas sonoras 
Las características físicas de una onda sonora tienen una relación directa con la percepción de 
ese sonido por un receptor. A una frecuencia dada, cuanto mayor sea la amplitud de una onda 
sonora, mayor será la intensidad del sonido. La relación entre amplitud e intensidad no es 
sencilla, y varía de una persona a otra. Un factor importante es que el oído no es igualmente 
sensible a todas las frecuencias de la gama audible. La intensidad del sonido (I) percibido hace 
que el oído capte la vibración como fuerte o débil. La intensidad del sonido depende de la 
amplitud (A) de la onda sonora. La intensidad (I) acústica indica cuanta energía está fluyendo 
por el medio a causa de la propagación de la onda sonora. Podemos, entonces, definir a la 
intensidad (I) como la energía que atraviesa la unidad de superficie por segundo. Su ecuación 
es la siguiente: 
 
I =
energia
tiempo . área
=
potencia
área
 
 
Sus unidades son: 
I = 
J
s . m2
= 
W
m2
 
 
W: Watt 
J: Joule 
I: Intensidad 
 
La intensidad mínima audible para el ser humano es de aproximadamente 10-12 
W
m2
. El umbral 
del dolor en el oído humano es de aproximadamente 1 
W
m2
. Como este intervalo de audibilidad es 
muy extenso, se utiliza otra escala cuyas divisiones son en una escala de potencias de diez. La 
unidad utilizada es el decibel. Surge de la siguiente ecuación: 
 
𝐍𝐒 = 𝟏𝟎 𝐝𝐛 . 𝐥𝐨𝐠
𝐈
𝐈𝟎
 
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NS: nivel de sensación o sensibilidad. 
I: intensidad del sonido que llega al oído. 
I0: intensidad mínima del sonido audible (10-12 W/ m2). 
 
Una intensidad de 10 decibeles corresponde a una energía diez veces mayor que una intensidad 
de cero decibeles, y otra de 20 db representa una energía 100 veces mayor que la 
correspondiente a 0 decibeles. El 0 decibel corresponde a una intensidad de 10 -12 W/m2. 
Es natural que las personas con el avance de la edad, pierdan la sensibilidad a altas frecuencias, 
y esto puede agravarse por niveles de sonido excesivos. Algunos estudios han demostrado que 
varios músicos de rock jóvenes han sufrido daños auditivos permanentes y tienen un oído típico 
de personas de 65 años de edad. Los audífonos en estéreo portátiles empleados con un alto 
volumen representan una amenaza similar para el oído. 
Otro ejemplo son los delfines, los cuales emiten ondas sonoras de alta frecuencia (del orden de 
100,000 Hz) y utilizan los ecos para guiarse y cazar. La longitud de onda correspondiente en 
agua es de 1.48 cm. Con este sistema de “sonar” de alta frecuencia, pueden detectar objetos 
del tamaño de la longitud de onda (pero no mucho menores). 
La ecografia es una técnica médica que usa el mismo principio físico: ondas sonoras de muy alta 
frecuencia y longitud de onda muy corta, llamadas ultrasonido, barren el cuerpo humano, y se 
captan los “ecos” de los órganos internos para crear una imagen. El ultrasonido se usa para 
estudiar la operación de las válvulas cardíacas y detectar tumores, así como en exámenes 
prenatales; es más sensible que los rayos X para distinguir los diversos tipos de tejidos y no 
tiene el peligro de radiación de esos rayos.