miércoles, 16 de mayo de 2012

Lectura 15: El sonido

¿Qué produce el sonido? Coloque sus dedos en la garganta mientras habla o mire las cuerdas de una guitarra cuando la están tocando. Cuando usted habla, siente un movimiento en la garganta; cuando se pulsan las cuerdas de una guitarra, éstas se mueven de un lado a otro rápidamente. Estos movimientos llamados vibraciones producen el sonido.

El aire está hecho de pequeñas partículas llamadas moléculas, las cuales pueden vibrar. La vibración de una cuerda origina ondas de sonido en el aire; cuando la cuerda se mueve hacia la derecha, empuja las moléculas que están cerca de ella; cuando regresa y se mueve hacia la izquierda deja un área con menos moléculas de aire. Un área de compresión y un área de rarefacción forman cada onda de sonido.

Sin embargo, ¿cómo viaja el sonido a través de una habitación? Las moléculas de aire, pasan sus vibraciones a través de otras moléculas de aire. Por medio de este movimiento el sonido llega de su fuente vibrante al receptor. A medida que las moléculas se comprimen, las compresiones se mueven hacia afuera del medio, que en este caso es el aire. Un medio es cualquier sustancia sólida, líquida o gaseosa que transporte el sonido.

A medida que las compresiones se mueven hacia afuera, cada capa de moléculas empuja a la siguiente. Las rarefacciones también se mueven hacia afuera capa por capa; esta serie de compresiones y rarefacciones forman las ondas que transmiten la energía de sonido a través del medio.

Un resorte en forma de espiral es una imagen que sirve para visualizar el movimiento de una onda. Imagínese usted estirando ese resorte horizontalmente en un piso liso. Luego suponga que hala varias espirales del mismo resorte estirado, produciendo una compresión de éstas; cuando usted suelta el resorte, una agitación o pulso se produce a lo largo del resorte; aunque cada espiral no se mueve mucho, la energía de la agitación se mueve a lo largo de todo el resorte. Esta agitación en el resorte hace que algunas espirales estén más separadas que aquellas en donde está la agitación; por lo tanto, cada agitación va seguida de una rarefacción, tal como lo muestra la figura 1.

El sonido no viaja en el vacío, el cual es un espacio sin nada adentro, ni siquiera aire. Las ondas de sonido requieren de un medio.

Tono y frecuencia

Los sonidos pueden ser "altos" o "bajos". El tono es qué tan alto o bajo es un sonido; se determina por la rapidez con que vibre la fuente del sonido. La cuerda de una guitarra que vibre lentamente produce menos ondas de sonido por segundo y un tono más bajo que el de la cuerda que vibra más rápido. Así, el tono depende de la frecuencia, que es el número de ondas producidas por segundo. La frecuencia se mide calculando el número de ondas que pasan en un segundo por un punto específico ubicado a cierta distancia del lugar de origen del sonido. Este número de ondas se expresa en Hertz. Un Hertz equivale a una onda por segundo. Si un sonido es de tono bajo pasarán menos ondas por el punto específico por segundo que si el sonido es de tono alto.

La frecuencia está relacionada con la longitud de una onda de sonido.

Fíjese en los puntos X y Y de cada conjunto de ondas que aparecen en la figura 2. La distancia que hay entre esos dos puntos se denomina longitud de onda. Como puede observar, las ondas de los sonidos bajos tienen mayor longitud que las de los sonidos altos. La figura 3 muestra el rango de frecuencia del oído humano, el cual es mucho mayor que el rango de frecuencia que puede producir la voz humana.

Instrumentos Musicales

En los instrumentos de cuerda, la vibración de éstas produce el sonido; en los instrumentos de viento, como las trompetas y los trombones, una columna de aire que se ubica por dentro del instrumento, vibra para producir el sonido. La longitud de la columna de aire determina el tono del sonido. El músico varía el tono, al abrir y cerrar las válvulas de la trompeta o al deslizar la barra del trombón. Producir sonidos de esta manera es similar a producirlos soplando unas botellas con diferentes niveles de agua.

Los clarinetes y saxofones son instrumentos de viento que tienen una lengüeta que vibra y forma la columna de aire dentro del instrumento para que vibre. Los músicos producen distintas tonalidades en estos instrumentos al abrir y cerrar los pistones. Los tambores, los platillos y las campanas producen sonido cuando parte de ellos vibra; la cabeza del tambor vibra cuando se golpea y lo mismo sucede con el metal de los platillos y las campanas.

La amplitud

Al aumentar la frecuencia de las ondas de sonido aumenta el tono, pero esto no afecta el hecho que un sonido sea fuerte o suave. El volumen del sonido está relacionado con la cantidad de energía que hay en una onda sonora. Se puede efectuar una evaluación simple de energía en una onda sonora de la siguiente manera: doble en forma de V un pedazo de papel y colóquelo sobre una cuerda de la guitarra o el piano; cuando usted pulsa suavemente la cuerda, el papel vibra sólo un poco, cuando la pulsa con más fuerza el papel vibra mucho más. La figura 4 muestra ondas sonoras de la misma frecuencia, la primera de las cuales es de un sonido suave y, la segunda es de un sonido fuerte. La diferencia que hay entre las dos figuras es la amplitud o tono de las ondas, los sonidos fuertes tienen mayor amplitud que los suaves.

El volumen de un sonido se mide en decibeles. Un silbido muy suave registra de 10 a 15 decibeles y una música muy fuerte puede registrar cerca de 100 decibeles. Ruidos muy fuertes pueden ocasionar la pérdida de la audición momentáneamente.

La velocidad

¿Ha calculado alguna vez qué tan lejos está una tormenta, contando los segundos desde el momento en que se ve el rayo y el tiempo en que oye el trueno? El rayo y el trueno se producen simultáneamente. La luz viaja tan rápido, que usted ve el rayo en el momento en que ocurrió. En cambio, el sonido viaja más lentamente. La velocidad del sonido es aproximadamente de 340 metros por segundo, con una temperatura del aire de 10° C. Sin embargo, la velocidad del sonido depende del medio a través del cual viajan las ondas sonoras y la temperatura del mismo.

El sonido viaja más rápido a través de la tierra o un metal que a través del aire y viaja más rápido a temperaturas cálidas que frías. Por ejemplo, el sonido viaja a 331 metros por segundo en el aire a 0o C y viaja a 343 metros por segundo en el aire a 20° C. En el agua del mar a 25° C, el sonido viaja a 1531 m/seg y a través de la madera a 3850 m/seg.

Reflexión del sonido

Otra característica de las ondas sonoras es que rebotan en superficies duras y lisas. En algunas superficies las ondas rebotan de tal manera que el sonido reflectado es casi igual al original aunque hay un lapso de tiempo entre el sonido original y el reflectado. Este fenómeno se conoce con el nombre de eco. Los murciélagos utilizan ecos para ubicar comida. Ellos envían ondas sonoras de alta frecuencia que rebotan en insectos y otros objetos y que son reflectados hacia sus oídos.

Los científicos e ingenieros están interesados en conocer cómo las ondas sonoras se reflectan, puesto que la reflexión de los sonidos afecta la capacidad de escucha en las personas cuando están en lugares como un teatro o un salón de clases. El estudio del sonido se denomina acústica. Una plataforma con concha acústica tiene una forma diseñada para reflectar el sonido hacia el público. En teatros y auditorios las paredes y pisos están forrados con cortinas gruesas y alfombras. La suave e irregular superficie de estos materiales está llena de pequeños orificios que absorben las ondas sonoras de tal manera que no rebotan; de esta manera, estas superficies suaves eliminan los ecos y otras interferencias y permiten escuchar mejor.

El estudio de la reflexión y recorrido de las ondas sonoras ha producido aplicaciones importantes del sonido.

El sonar, o alcance de sonidos en la navegación, está basado en el hecho de enviar ondas sonoras bajo el agua y escuchar sus ecos. Las embarcaciones utilizan el sonar para detectar obstáculos que estén bajo el agua y sean difíciles de visualizar; de esta manera previenen colisiones y pueden localizar embarcaciones hundidas.

Actualmente el sonido se utiliza en procesos médicos llamados ultrasonidos, con los que los médicos y futuros padres pueden observar al bebé que está en el vientre de la madre. Un pequeño aparato que genera ondas sonoras se coloca sobre el abdomen de la madre y envía ondas hacia el cuerpo del bebé. Como las ondas se reflejan, durante este proceso se conviertan en señales de televisión que pueden ser observadas en un monitor; esta imagen se denomina sonograma y es borrosa pero da una visión del desarrollo del bebé como ningún otro aparato lo había hecho antes.

Los sonogramas son útiles en varios campos. Con ellos, los médicos pueden determinar el tamaño del bebé y en algunos casos, su estado de salud; pueden confirmar la presencia de gemelos y el sexo de ellos. En el futuro, nuevos usos del ultrasonido a nivel médico serán perfeccionados.

Taller de lectura 15

Comprensión de los hechos

  1. ¿Para producir sonido, qué debe hacer la fuente del mismo?
  2. ¿Cuáles son las dos partes de una onda sonora?
  3. ¿Cuál es la frecuencia de un sonido?
  4. ¿Cuál es el rango de frecuencias sonoras que pueden escuchar los humanos?
  5. A qué es igual un Hertz?
  6. ¿En qué se diferencia un sonido con una fre¬cuencia de 10.000 Hertz a uno con 5.000 Hertz?
  7. ¿Qué produce el sonido de un trombón?
  8. ¿Si dos sonidos son diferentes sólo en su volu¬men, en qué se diferencian sus ondas sonoras?
  9. ¿Como se mide el volumen de un sonido?
  10. Generalmente ¿cuál es la velocidad de un sonido en el aire?
  11. ¿Qué condiciones afectan la velocidad del sonido?
  12. ¿Cómo se produce el eco?
  13. ¿Qué es la acústica?
  14. ¿Cómo se controla la reflexión del sonido en los teatros y auditorios?
  15. ¿Cómo funciona el sonar?
  16. Diga una de las formas en que se utiliza el ultrasonido en medicina
  17. Con una línea relacione de manera lógica las dos columnas que aparecen a continuación:
    Compresión Área en donde las moléculas están juntas
    Rarefacción Tono de la onda sonora o volumen
    Amplitud Área en donde las moléculas están separadas

Comprensión de los hechos.
Marque con x la respuesta correcta

  1. Una campana de vacío es un aparato del cual se puede remover todo el aire. Si un timbre se coloca en una campana de vacío y se saca el aire de ésta, ¿qué sucede?
    1. Se puede escuchar el sonido del timbre.
    2. No se puede escuchar el sonido del timbre.
    3. El sonido del timbre desaparece y luego vuelve a aparecer.
  2. Algunas películas del oeste, muestran a los scouts colocando el oído en la tierra para saber si los están persiguiendo o no. ¿Según lo que usted sabe acerca del sonido, esta acción tiene algún sentido?
    1. No, porque el sonido viaja más rápido por el aire que por la tierra.
    2. Sí, porque el sonido viaja más rápido por la tierra que por el aire.
    3. No importa, de todos modos el sonido viaja a la misma velocidad por el aire que por la tierra.
  3. Un sonido con frecuencia de 20.000 Hertz:
    1. Produce 20.000 ondas por segundo.
    2. Se mueve muy despacio a temperaturas altas.
    3. Tiene poco tono
  4. ¿Cuándo los ruidos son más fuertes?
    1. En un día frío.
    2. En un día cálido.
    3. Son iguales en un día cálido o frío.
  5. Los sonidos ultrasónicos:
    1. Están lejos del rango de frecuencia del oído humano.
    2. Son más fuertes que un estallido sónico
    3. No son producidos por vibraciones.

Aplicar la habilidad: Diagramas

  1. Explique con sus propias palabras la figura 1.
  2. Explique con sus propias palabras la figura 2.
  3. Utilice la figura 3 para responder las siguientes dos preguntas:
    1. ¿Se puede escuchar un sonido de 22.000 Hertz? Explique.
    2. Una persona puede cantar una nota que registre 800 Hertz. Explique.
  4. Decida cuál de los siguientes tres diagramas corresponde a las siguientes preguntas. Escriba la letra del diagrama correcto sobre la línea.
    _____ ¿Qué onda sonora tiene mayor tono?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene el sonido más suave?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene el sonido más fuerte?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene un tono moderado?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene la menor longitud?
    _____ ¿Qué onda sonora tiene el menor tono?

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