Tareas

Practica 4:
“Ondas sonoras”
Objetivo:
Obtener en forma experimental, la relación entre la frecuencia y la longitud de
onda, y la frecuencia y el número de onda, para ondas sonoras mediante tres
dispositivos experimentales.
Introducción:
En la practica 3 estudiamos las ondas mecánicas transversales, en particular
las vibraciones de una cuerda estirada. En la presente sesión de laboratorionos
ocuparemos de las ondas mecánicas longitudinales, en particular de las ondas
sonoras. Lo que llamamos sonidos en una vibración mecánica longitudinal con
frecuencias que fluctúan entre unos 20 y 20,000 Hz, que es el intervalo normal de
audición humana. Las ondas de mayor frecuencia, que se conocen como ondas
ultrasónicas, sirven para localizar objetos bajo el agua y obtener imágenesmédicas.
Las ondas longitudinales (y transversales) de menor frecuencia, llamadas
infrasónicas, aparecen como ondas sísmicas en los terremotos.
A semejanza de las ondas transversales, que se generó y se propago, a través
de la cuerda de la longitud 𝐿, el sonido es una onda mecánica que se genera por
perturbación y que se propaga por la intervención de fuerzas mecánicas (elásticas)
entre laspartículas del medio. Pueden desplazarse a través de cualquier medio
material (solido, líquido, gas). En los sólidos pueden ser longitudinales o
transversales; en cambio, en los líquidos (que no pueden soportar las fuerzas de
cizallamiento) son solo longitudinales, lo cual significa que las partículas del medio
oscilan en la misma dirección en que se desplaza la onda. La rama de la física y de
laingeniería que estudia a las ondas sonoras se denomina acústicas, e incluye el
estudio de las ondas mecánicas de todas las frecuencias, tanto las vibraciones
transversales como las longitudinales en el caso de los sólidos. Aquí revisaremos
brevemente las ondas sonoras en el aire, que son estrictamente longitudinales.
A fin de simplificar y comprender como se propaga una onda sonora en un
medio,consideramos una representación unidimensional de una fuente de sonido.
La figura 1 indica como una onda de este tipo podría caerse en un tubo largo lleno
de aire. En un extremo está instalado al pistón, que podría representar el cono en
movimiento de un altavoz. A medidas que el pistón fluctúa, comprime y expande
(rarifica) alternativamente el aire cercano. Esta perturbación se propaga haciaadelante del tubo como onda sonora. Al pasar la onda por un punto, las moléculas
de aire oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio, paralelamente a la
dirección a la que se desplaza ella. La onda sonora se puede describir tanto en
función de los cambios de presión local en medio como en función del
desplazamiento de estas moléculas del aire al respecto a su posición del equilibrio.
1Al oscilar el pistón se producen variaciones de densidad del aire en el tubo
de un lugar a otro, y también de un momento a otro, como se puede observar en la
misma figura 1. A las regiones de gran densidad se les conoce como comprensión
y a las de poca densidad como rarefacciones. Conforme se propaga la onda sonora,
las compresiones y las rarefacciones se desplazan a lo largo del tubo.Respecto a la velocidad de una onda sonora, y al igual como el caso de la onda
mecánica transversal, ésta depende de la razón de una propiedad elástica y de una
propiedad inercial. En analogía a lo discutido en la parte teórica de la practica 3 del
presente manual, se puede conjeturar que la propiedad elástica es la perturbación
no perturba y que la propiedad inercial es la densidad de la masano perturbada. Se
puede demostrar que la velocidad del sonido en fluidos (líquidos y gases),
atendidos al módulo volumétrico 𝛽 y a la densidad 𝜌0 , esta dada por la siguiente
expresión:
𝛽

𝑣 = √𝜌

0

(1)

Figura 1. Ondas sonoras generadas en un tubo por un pistón en movimiento.
Nótese que, como en el caso de las ondas transversales en una cuerda,
depende exclusivamente de las...