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Laboratorio Física II – Ondas: Ondas confinadas en tubos. Tubo de Kundt
Propósito
Estudio de las ondas confinadas en el interior de un tubo abierto en ambos extremos y
abierto-cerrado. Observar el fenómeno de resonancia. Introducir los objetos físicos e
instrumental asociado aprendiendo los principios de su funcionamiento y operación.
Efectuar mediciones de la velocidad del sonido yfrecuencias de resonancia.
Ondas sonoras en tubos. Teoría.
Las ondas sonoras
El sonido es una onda longitudinal creada por un objeto vibrante, tal como la
cuerda de una guitarra, las cuerdas vocales humanas, o el diafragma de un parlante. Para
que la onda sonora sea creada y transmitida se requiere de un medio, tal como un gas,
líquido o sólido. El sonido no puede existir en el vacío.
Cuando eldiafragma de un parlante vibra, se produce una onda de sonido que se
propaga a través del aire. Si pudiésemos observar un pequeño volumen de aire en las
inmediaciones del parlante, se hallaría que el volumen de aire no se aleja del mismo,
sino más bien que este vibra alrededor de su posición de equilibrio a la misma
frecuencia del movimiento de la membrana. El movimiento de un pequeño volumen deaire en una onda sonora es paralelo a la dirección de propagación de la onda. A causa de
esto, la onda sonora es llamada “onda longitudinal”.
Para comprender como son producidas las ondas sonoras y por qué son
longitudinales, consideremos el diafragma vibrante de un parlante. Cuando el diafragma
se mueve hacia afuera, este comprime el aire directamente frente a él, tal como se
muestra en lafigura 1.a. Esta compresión causa un leve incremento en la presión del
aire de un elemento de volumen. Esta perturbación (condensación o compresión) viaja a
la velocidad del sonido en el aire. La condensación es análoga a la región comprimida
de una onda longitudinal en un Slinky.
Luego de producir una condensación, el diafragma invierte su movimiento y se
mueve hacia atrás (ver fig. 1.b). Elmovimiento hacia atrás produce una región conocida
como rarefacción, donde la presión del aire es levemente menor a la normal. La
rarefacción es similar a la expansión que se observa en las ondas longitudinales del
Slinky. Esta rarefacción, que sigue a una condensación, viaja también a la velocidad del
sonido en el aire.

Figura 1. a) Cuando la membrana del parlante se mueve hacia fuera,este crea una
condensación (zona de sobrepresión). b) Cuando el diafragma se mueve hacia atrás, este crea
una rarefacción (zona de expansión del gas). Compresiones y expansiones del Slinky son
incluidas para comparación. En realidad, la velocidad de la onda que se propaga en el Slinky
cSlinky es mucho menor que la velocidad del sonido en el aire c. Por simplicidad, se supone aquí
que las ondasse propagan a la misma velocidad.

La figura 2 pone énfasis en las similitudes entre una onda de sonido y las ondas
longitudinales en un Slinky. Si el emisor realiza un movimiento armónico simple, los
puntos coloreados marcados sobre una espira del Slinky y sobre una molécula de aire
realizarán también un movimiento armónico simple (de frecuencia igual a la del
emisor), paralelo a ladirección de propagación de la onda y en torno a su posición no
perturbada (indicado por las flechas). La longitud de onda λ es la distancia entre los
centros de dos condensaciones sucesivas (o bien la distancia entre los centros exactos de
dos rarefacciones sucesivas).

Figura 2. Las ondas sonoras y las ondas
que se propagan en el Slinky son
longitudinales. Los puntos rojos sobre una
espira delSlinky y sobre una molécula de
aire vibran hacia adelante y hacia atrás
paralelamente al sentido de propagación de
la onda.

La figura 3 muestra una onda sonora propagándose en el aire luego de ser
producida por un parlante. Cuando estas perturbaciones llegan al oído, obligan al
tímpano a vibrar a la misma frecuencia de la membrana del parlante. El movimiento
vibratorio del tímpano es...