jueves, 15 de enero de 2009
introducción
Cuando una onda es emitida por un sistema en movimiento, la longitud de onda percibida es diferente a la emitida.Igual ocurre cuando quien se mueve es el que percibe las ondasEn el caso de ondas de sonido por ejemplo cuando un carro se mueve, el tono del pito se escucha a mayor frecuencia cuando se acerca y menor cuando se aleja.Con las ondas de luz sucede algo similar: la longitud de onda observada es diferente a la emitida por la fuente. Qué tan fuerte sea el cambio dependerá de la velocidad relativa entre la fuente y el observador.
Sonido
El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Los conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido, pero, inversamente, los fenómenos sonoros permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento ondulatorio.
El sonido y su propagación
Las ondas que se propagan a lo largo de un muelle como consecuencia de una compresión longitudinal del mismo constituyen un modelo de ondas mecánicas que se asemeja bastante a la forma en la que el sonido se genera y se propaga. Las ondas sonoras se producen también como consecuencia de una compresión del medio a lo largo de la dirección de propagación. Son, por tanto, ondas longitudinales.
Característica del sonido
El sonido se produce como resultado de la vibración de un cuerpo, que genera unas ondas de compresión en el medio que lo rodea, que al llegar a nuestros oídos transmiten esa energía, modulada en forma de impulso nervioso, hasta el cerebro. Cuando la vibración de origen es regular, el sonido tiene características "musicales" mientras que una vibración irregular suele tener características de "ruido".
El sonido tiene tres propiedades características: altura, volumen y calidad. A ellas puede añadirse la propiedad de la resonancia, la de inducir vibraciones en objetos alejados del emisor del sonido.
El sonido tiene tres propiedades características: altura, volumen y calidad. A ellas puede añadirse la propiedad de la resonancia, la de inducir vibraciones en objetos alejados del emisor del sonido.
Altura
La altura del sonido viene caracterizada por su frecuencia, es decir, por el número de vibraciones o ciclos por segundo (se expresa en Hertzios). Cuanto más grave es el sonido, menor cantidad de vibraciones por segundo tiene. Cuanto más agudo, el número de vibraciones es mayor. El oído humano no puede captar todas las frecuencias, y habitualmente, la banda audible va desde los 16-20 Hertzios a los 20.000 Hz en los sonidos agudos. El sonido más grave del piano vibra en los 20 Hz, mientras el más agudo lo hace en los 4.176 Hz. En música, la altura de los sonidos, viene expresada en la nota.
En relación con la altura del sonido, un aspecto importante es lo que a menudo denominamos "afinación". Para oidos incluso no muy entrenados, es relativamente fácil distinguir, entre varias personas o instrumentos que deberían estar tocando una misma nota - o frecuencia- que alguno de ellos está "desafinando". Si dos sonidos vibran a la misma frecuencia, los llamamos unísonos. Pero si ambos difieren en un número escaso de vibraciones por segundo, se interferirán, produciendo zonas de mayor o menor intensidad de forma periódica, precisamente con una periodicidad o frecuencia que será la diferencia entre las dos frecuencias de vibración. Por ejemplo, si una vibración es de 500 y la otra de 495 Hz, la pulsación acústica originada será de 5 Hz, y se precibirá como disonante o desafinada.Es interesante que, para nuestro cerebro, si la diferencia es mayor de unas 30 pulsaciones por segundo, este efecto de desafinado o disonancia disminuye.
Intensidad
Calidad
Se llama así a la diferencia de percepción de dos sonidos de la misma altura, cuando son producidos por instrumentos diferentes. Es fácil distinguir en una misma nota, es decir, un sonido con la misma frecuencia de vibración, si ha sido producida por un piano o por una flauta. A la calidad del sonido se la denomina habitualmente timbre.
El origen de estas diferencias de percepción está en un fenómeno acústico complejo y muy interesante: la producción de los llamados armónicos.
Cuando caracterizamos a un sonido, como indicábamos más arriba, por su frecuencia de vibración, se estaba simplificando. Esta frecuencia característica es solamente la fundamental y más notoria de una serie de sonidos que coinciden con, y acompañan a un sonido básico. Se trata de sonidos de menor intensidad, por tanto, menos claramente audibles que la frecuencia básica, pero que modifican la percepción del sonido fundamental de forma que puedan efectuarse distinciones de calidad, en dependencia de que cada instrumento produce una serie característica de armónicos que acompañan a la frecuencia principal, en todos los casos idéntica.
Resonancia
Otro fenómeno que hay que tener en cuenta en la física del sonido aplicada a la Música es el de la resonancia. Este es muy simple: Si dos cuerpos pueden producir al vibrar frecuencias idénticas, si uno de ellos vibra, es capaz de inducir en el otro una vibración a distancia, por simpatía. La mayor parte de los instrumentos constan de un cuerpo que produce la vibración, sea una lengueta, una cuerda, una membrana, etc, y un soporte que a menudo es capaz de vibrar por resonancia inducida por el origen principal: la caja o cuerpo del violín odel piano, el tubo del órgano, el bastidor del arpa, etc.
En muchos casos este fenòmeno se ha utilizado para reforzar y dar otra calidad a los sonidos: así la zamfona o la viola d' amore tienen cuerdas que nunca son pulsadas, sino que vibran de forma "simpática" con el mecanismo activo de vibración.
Efecto doppler
Al efecto Doppler se le puso este nombre en honor a, Christian Doppler, que fue quien dió origen a la idea en 1842. El pensaba que las ondas de sonido podrían acercarse entre sí, si la fuente del sonido se movía en dirección al receptor. Así mismo, pesó que las ondas se alejarían, si la fuente del sonido se alejaba del receptor. Un tren es un ejemplo típico de esto. Cuando un tren está en movimiento, sopla su silbato. A medida que pasa, puede escucharse un cambio de tonalidad en el silbato. Esto sucede igualmente con las sirenas de los autos de policía y con los autos de carrera.
Piensa en las ondas de sonido como pulsaciones que se emiten a intervalos regulares. Imagina que cada vez que caminas, emites una pulsación. Cada pulsación frente a tí representa un paso más que te acerca, mientras que, si estuvieses parado sin moverte, cada pulsación detrás tuyo, representaría un paso que te aleja. En otra palabras, la frecuencia de las pulsaciones frente a tí es mayor de lo normal y, la frecuencia de las pulsaciones detrás tuyo, es menor de lo normal.
El efecto Doppler no sólo se aplica a los sonidos. Funciona con todo tipo de ondas. Esto incluye la luz. Edwin Hubble usó el efecto Doppler para determinar que el universo se está expandiendo. Hubble halló que la luz de galaxias distantes se corría hacia frecuencia más elevadas, hacia el rojo final del espectro. A esto se le conoce como, el corrimiento hacia el rojo de Doppler, o como, desplazamiento hacia el rojo. Si las galaxias se estuviesen acercando a nosotros, la luz hubiese estadodesplazada hacia el azul.
Piensa en las ondas de sonido como pulsaciones que se emiten a intervalos regulares. Imagina que cada vez que caminas, emites una pulsación. Cada pulsación frente a tí representa un paso más que te acerca, mientras que, si estuvieses parado sin moverte, cada pulsación detrás tuyo, representaría un paso que te aleja. En otra palabras, la frecuencia de las pulsaciones frente a tí es mayor de lo normal y, la frecuencia de las pulsaciones detrás tuyo, es menor de lo normal.
El efecto Doppler no sólo se aplica a los sonidos. Funciona con todo tipo de ondas. Esto incluye la luz. Edwin Hubble usó el efecto Doppler para determinar que el universo se está expandiendo. Hubble halló que la luz de galaxias distantes se corría hacia frecuencia más elevadas, hacia el rojo final del espectro. A esto se le conoce como, el corrimiento hacia el rojo de Doppler, o como, desplazamiento hacia el rojo. Si las galaxias se estuviesen acercando a nosotros, la luz hubiese estadodesplazada hacia el azul.
Luz
La luz es una radiación que se propaga en forma de ondas. Las ondas que se pueden propagar en el vacío se llaman ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS. La luz es una radiación electromagnética.
Características de las ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a la velocidad de 300000 km/s, que se conoce como "velocidad de la luz en el vacío" y se simboliza con la letra c (c = 300000 km/s).
La velocidad de la luz en el vacío no puede ser superada por la de ningún otro movimiento existente en la naturaleza. En cualquier otro medio, la velocidad de la luz es inferior.
La energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, de modo que cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es su energía.Las ondas electromagnéticas se clasifican según su frecuencia como puede verse en el siguiente diagrama:
La LUZ es la radiación visible del espectro electromagnético que podemos captar con nuestros ojos.
Algunas propiedades de la luz
La luz presenta tres propiedades características:
Sombras, penumbras y eclipses
- Si un foco, grande o pequeño, de luz se encuentra muy lejos de un objeto produce sombras nítidas.
- Si un foco grande se encuentra cercano al objeto, se formará sombra donde no lleguen los rayos procedentes de los extremos del foco y penumbra donde no lleguen los rayos procedentes de un extremo pero sí del otro.
Este fenómeno de sombra y penumbra es el que tiene lugar en los eclipses.
Podemos ver los objetos que nos rodean porque la luz que se refleja en ellos llega hasta nuestros ojos.
Existen dos tipos de reflexión de la luz: reflexión especular y reflexión difusa.
Reflexión especular: La superficie donde se refleja la luz es perfectamente lisa (espejos, agua en calma) y todos los rayos reflejados salen en la misma dirección.
Reflexión difusa: La superficie presenta rugosidades. Los rayos salen reflejados en todas las direcciones. Podemos percibir los objetos y sus formas gracias a la reflexión difusa de la luz en su superficie.
Imágenes en un espejo plano
Al trazar los rayos, según las leyes de la reflexión, se forma una imagen virtual "detrás del espejo".
Imágenes en espejos curvos
Los espejos curvos pueden ser cóncavos (superficie curva con la parte central más hundida) o convexos (superficie curva con la parte central saliente).
La luz blanca es una mezcla de colores: si un haz de luz blanca atraviesa un medio dispersor, como, por ejemplo, un prisma, los colores se separan debido a que tienen diferentes índices de refracción.
Se propaga en línea recta.
Se refleja cuando llega a una superficie reflectante.
Cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro (se refracta).
La luz se propaga en línea recta
La luz se propaga en línea recta. La línea recta que representa la dirección y el sentido de la propagación de la luz se denomina rayo de luz (el rayo es una representación, una línea sin grosor, no debe confundirse con un haz, que sí tiene grosor).
Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.
Un hecho que demuestra la propagación rectilínea de la luz es la formación de sombras. Una sombra es una silueta oscura con la forma del objeto.
Sombras, penumbras y eclipses
- Si un foco, grande o pequeño, de luz se encuentra muy lejos de un objeto produce sombras nítidas.
- Si un foco grande se encuentra cercano al objeto, se formará sombra donde no lleguen los rayos procedentes de los extremos del foco y penumbra donde no lleguen los rayos procedentes de un extremo pero sí del otro.
Este fenómeno de sombra y penumbra es el que tiene lugar en los eclipses.
La luz se refleja
La reflexión de la luz se representa por medio de dos rayos: el que llega a una superficie, rayo incidente, y el que sale "rebotado" después de reflejarse, rayo reflejado.
Si se traza una recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia.
Si se traza una recta perpendicular a la superficie (que se denomina normal), el rayo incidente forma un ángulo con dicha recta, que se llama ángulo de incidencia.
La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta un rayo luminosos al chocar contra la superficie de los cuerpos. La luz reflejada sigue propagándose por el mismo medio que la incidente.
La reflexión de la luz cumple dos leyes:
- El rayo incidente, el reflejado y la normal están en un mismo plano perpendicular a la superficie.
- El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
¿Por qué vemos los objetos?
Existen dos tipos de reflexión de la luz: reflexión especular y reflexión difusa.
Reflexión especular: La superficie donde se refleja la luz es perfectamente lisa (espejos, agua en calma) y todos los rayos reflejados salen en la misma dirección.
Reflexión difusa: La superficie presenta rugosidades. Los rayos salen reflejados en todas las direcciones. Podemos percibir los objetos y sus formas gracias a la reflexión difusa de la luz en su superficie.
Imágenes en un espejo plano
Imágenes en espejos curvos
La luz se refracta
La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimentan los rayos luminosos al pasar de un medio a otro en el que se propagan con distinta velocidad. Por ejemplo, al pasar del aire al agua, la luz se desvía, es decir, se refracta.
Las leyes fundamentales de la refracción son:
- El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.
- El rayo refractado se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro en el que se propaga a menor velocidad. Por el contrario, se aleja de la normal al pasar a un medio en el que se propaga a mayor velocidad.
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio en el que pueda propagarse se denomina índice de refracción (n) de ese medio: n = c / v
La dispersión de la luz, una manifestación de la refracción
Las leyes fundamentales de la refracción son:
- El rayo refractado, el incidente y la normal se encuentran en un mismo plano.
- El rayo refractado se acerca a la normal cuando pasa de un medio en el que se propaga a mayor velocidad a otro en el que se propaga a menor velocidad. Por el contrario, se aleja de la normal al pasar a un medio en el que se propaga a mayor velocidad.
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un medio en el que pueda propagarse se denomina índice de refracción (n) de ese medio: n = c / v
La dispersión de la luz, una manifestación de la refracción
La luz blanca es una mezcla de colores: si un haz de luz blanca atraviesa un medio dispersor, como, por ejemplo, un prisma, los colores se separan debido a que tienen diferentes índices de refracción.
Las lentes
Se emplean para muy diversos fines: gafas, lupas, prismáticos, objetivos de cámaras, telescopios, etc. Existen dos tipos:
- Lentes convergentes: Son más gruesas por el centro que por los extremos. Los rayos refractados por ellas convergen en un punto llamado foco.
- Lentes divergentes: Son más gruesas por los extremos que por el centro. Los rayos refractados no convergen en un punto, sino que se separan.
- Lentes convergentes: Son más gruesas por el centro que por los extremos. Los rayos refractados por ellas convergen en un punto llamado foco.
- Lentes divergentes: Son más gruesas por los extremos que por el centro. Los rayos refractados no convergen en un punto, sino que se separan.
Velocidad de la luz e Imanes
La velocidad de la luz en el "vacío" es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s (suele aproximarse a 3·108 m/s). Se denota con la letra c, proveniente del latín celéritās (velocidad), y también es conocida como la constante de Einstein. La velocidad de la luz fue incluida oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983, pasando así el metro a ser una unidad dada en función de esta constante y el tiempo.
La velocidad a través de un medio que no sea el "vacío" depende de sus permitividad eléctrica y permeabilidad magnética y otras características electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío.
La velocidad a través de un medio que no sea el "vacío" depende de sus permitividad eléctrica y permeabilidad magnética y otras características electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío.
Imanes
Un imán (del francés aimant) es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético significativo, de forma que tiende a alinearse con otros imanes (por ejemplo, con el campo magnético terrestre).
Tipos de imanes
Los imanes pueden ser naturales o artificiales; o bien, permanentes o temporales.
•imán natural mineral con propiedades magnéticas. Tal es el caso de la magnetita, que es un óxido de hierro (Fe3O4).
•imán artificial cuerpo de material ferromagnético al que se le ha conferido la propiedad del magnetismo, ya sea mediante frotamiento con un imán natural o por la acción de corriente eléctrica aplicada en forma conveniente (electroimanación).
•imán permanente está fabricado en acero imanado (hierro con un alto contenido en carbono), lo que hace que conserve su poder magnético. También se emplea alnico en algunos casos. Sin embargo, una fuerte carga eléctrica, un impacto de gran magnitud, o la aplicación de una elevada cantidad de calor, puede causar que el imán pierda su fuerza actuante, aunque en el caso de aplicar una fuerte cantidad de calor dicha perdida es temporal puesto que al enfriarse volverían todas sus propiedades.
•imán temporal pierde sus propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo. Dichos imanes están fabricados en hierro dulce (con un contenido muy bajo en carbono).
•electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espira) por la que circula corriente eléctrica. Esto genera un campo magnético isomórfico al de un imán de barra que imanta el metal. Un electroimán es un caso particular de un imán temporal.
Magnetismo
Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de "Magnesia" en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro y que los trocitos de hierro atraídos, atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.
Fue Oersted quien evidenció en 1820 por primera vez que una corriente genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas al movimiento de los electrones que contienen los átomos; cada una de ellas origina un microscópico imán. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; y en cambio, si todos los imanes se alinean, actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado.
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