Guía didáctica # 1

Guía didáctica # 1 Oscilaciones, Ondas y Sonido

Física II

I.E. Marceliano Polo

Grado 11

Docente Orientador:

Fís. Edinson Madrid Ramos

© Fís. Edinson Madrid Ramos E-Mail: [email protected] 1

PRESENTACIÓN El estudio de las oscilaciones y las ondas, y en especial el de los factores que determinan sus características, tiene gran importancia en la construcción de diferentes sistemas arquitectónicos, como edificios y puentes, especialmente en zonas sísmicas. El tema de las oscilaciones y las ondas cobra particular importancia en, la construcción de instrumentos musicales y dispositivos para la transmisión y recepción del sonido, la construcción de equipos para la transmisión y recepción de radio y televisión y en general las comunicaciones, el diseño de numerosos equipos médicos. Estos dispositivos y equipos, de los cuales el hombre moderno depende grandemente, constituyen sistemas en los que tienen lugar procesos oscilatorios y ondulatorios. El estudio de las oscilaciones y las ondas también ayuda a esclarecer ciertos enigmas de la naturaleza: cómo se orientan algunos murciélagos durante el vuelo, a pesar de ser ciegos, cómo se orientan los delfines, etc. Entre las cuestiones de interés relacionadas con este tema se encuentran: ¿cuáles son las características principales de las oscilaciones? ¿qué factores determinan sus peculiaridades? ¿cuáles son los rasgos distintivos de las ondas? ¿qué es el sonido? ¿cómo se explica desde el punto de vista físico la diversidad de sonido que percibimos? Los aspectos que trataremos en el tema permitirán dar respuesta a las interrogantes anteriores.

CONTENIDO

BLOQUE I

Movimiento oscilatorio

Movimiento armónico simple

- Ecuaciones del MAS

Péndulo simple

BLOQUE II

Concepto de onda

Clasificación de las ondas

Características de las ondas

BLOQUE III

Sonido

Fenómenos sonoros simple

Cualidades del sonido

Sonido y ruido


PROPOSITOS COGNITIVOS VALORATIVOS PRAXIOLÓGICOS

Comprender los diferentes fenómenos científicos y tecnológicos, a partir de diferentes modelos desarrollados en diversos contextos, que le permitan contar con una teoría integral del mundo natural. Proporcionar un conocimiento integral de los fundamentos de Física que lo estimule a consolidar su formación Científico – Pedagógica.

Valorar los desarrollos científicos

y tecnológicos reconociendo su

impacto al cuestionarlos y asumir

posturas críticas y responsables.

Planteamiento e interpretación

de explicaciones problemicas y

soluciones técnico científicas en

lenguaje científico, teniendo en

cuenta variables culturales y

sociales.

Organizar experiencias prácticas con carácter demostrativo, cualitativo o cuantitativo, que faciliten el proceso de construcción del conocimiento, permitiendo que el aprendizaje sea significativo.

ESTANDAR Y COMPETENCIAS

ESTANDAR

Describo y modelo fenómenos periódicos relacionados al movimiento armónico simple y el comportamiento de las ondas aplicando estos al mundo real

COMPETENCIAS

Interpretativa: Describe las características del MAS a partir de fuerzas recuperadoras cuando la masa cuelga en un resorte; aplica las leyes del péndulo y diferencia los tipos de onda descritas en cada fenómeno, describe las ondas según el medio de propagación, asocia los diversos fenómenos y explica la teoría de cómo se originan.

Argumentativa y propositiva: Relaciona el movimiento oscilatorio y armónico simple comparándolos con situaciones reales. Realiza con destreza experiencias en donde se evidencia en fenómeno ondulatorio.

Ciudadanas: Es responsable y respeta las opiniones de los demás, no presenta conflictos al trabajar en grupo.


BLOQUE 1 Movimiento Oscilatorio

MOVIMIENTO OSCILATORIO Una partícula de masa m se dice que se encuentra en movimiento oscilatorio, si se describe como un movimiento periódico, respecto a un punto o posición de equilibrio estable. Un sistema se encuentra en un movimiento periódico cuando su estado (posición, velocidad) se repite en intervalos de tiempo regulares

MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE (M.A.S.) Es aquel movimiento oscilatorio que se repite en intervalos iguales de tiempo y además se realiza en una trayectoria con tendencia a la línea recta. Es la proyección sobre una recta del movimiento de una partícula que describe MCU.

SISTEMA MASA-RESORTE

MOVIMIENTO PERIODICO

Circular uniforme Oscilatorio

Pendular Armónico simple

Ondulatorio

transversal

Ondulatorio

longitudinal


CONCEPTOS IMPORTANTES A) Oscilación Simple.- Es el movimiento que realiza un cuerpo al ir de una posición extrema hasta la otra (ABCD). B) Oscilación Doble o Completa.- Es el movimiento que realiza un cuerpo en ir de una posición extrema a la otra y luego regresar a la primera (ABCDCBA). C) Período (T).- Es el tiempo que emplea un cuerpo en realizar una oscilación completa.

D) Frecuencia (f).- Es el número de oscilaciones completas que realiza un cuerpo en cada unidad de tiempo (f = 1/T).

E) Elongación (x).- Es la distancia existente entre la posición de equilibrio y el cuerpo en un instante cualquiera.

F) Amplitud (A).- Es la distancia existente entre la posición de equilibrio y cualquiera de las posiciones extremas.

EXPRESIONES MATEMÁTICAS IMPORTANTES

A) Ley de Hooke.- “La fuerza deformadora es directamente proporcional a la deformación”

B) Período de Oscilación: ( T = t1 + t2)


C) Velocidad (v): D) Aceleración (a):

Ejemplos: OBSERVA COMO LO HACE EL PROFESOR

1

2

3


ASOCIACIÓN DE RESORTES

A) Resortes en Serie.- Un sistema de resortes está en serie cuando la deformación del resorte equivalente es igual a la suma de las deformaciones de cada resorte. En este caso, la fuerza en cada resorte será la misma.

B) Resortes en Paralelo.- Un sistema de resortes está en paralelo cuando ellos tienen la misma deformación.

Un volante realiza 2400 vueltas cada dos minutos; determinar periodo y frecuencia del movimiento 1. Como n equivale al número de vueltas entonces n = 2400 vueltas Como t equivale al tiempo empleado entonces t= 2 minutos = 120 segundos 2. Usamos la ecuación

svueltas

sT

n

tT 05,0

2400

120

Usamos la ecuación

s

vueltas

s

vueltasF

t

nF 20

120

2400

4


Ejemplo 5: En la figura mostrada, determinar el período de oscilación del bloque de masa “m”.

Solución: El sistema equivale a:

______________________________________________________________________________________

ACTIVIDAD # 1.1: PROBLEMAS PROPUESTOS


PÉNDULO SIMPLE El péndulo simple es aquel dispositivo que está constituído por una masa de pequeñas dimensiones, suspendida de un hilo inextensible y de peso despreciable. Cuando la masa se desvía hacia un lado de su posición de equilibrio y se abandona, oscila alrededor de esa posición con un movimiento oscilatorio y periódico, cuya trayectoria es casi una línea recta si el ángulo q entre la posición extrema y la posición de equilibrio no sobrepasa los 15 grados. LEYES DEL PÉNDULO SIMPLE 1º El período no depende de la masa que oscila. 2º El período es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la longitud del péndulo. 3º El período es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la aceleración de la gravedad.

Una aplicación directa del péndulo es el “bate segundos”, que generalmente se usaban años atrás, el período de este reloj es de 2 segundos; es decir en ir y regresar demora 2 segundos.



ACTIVIDAD # 2.1: PROBLEMAS PROPUESTOS

EJEMPLO 6 EJEMPLO 7

1

2

3

4


BLOQUE 2 Movimiento Ondulatorio

CONCEPTO DE ONDA

Una onda es aquella perturbación en los medios elásticos o

deformables. Es transportadora de energía; pero es incapaz de

desplazar una masa en forma continua. Toda onda al

propagarse da lugar a vibraciones. Es importante notar que el

medio mismo no se mueve en conjunto en la dirección en que

avanza el movimiento ondulatorio. Las diversas partes del

medio oscilan únicamente en trayectorias limitadas.


A. CLASIFICACION DE LAS ONDAS SEGÚN LA OSCILACIÓN DEL MEDIO

B. CALSIFICACION DE LAS ONDAS SEGÚN LA NATURALEZA DE EMISIÓN

ONDAS MECÁNICAS

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS


C. CALSIFICACION DE LAS ONDAS SEGÚN EL SENTIDO DE PROPAGACIÓN


ACTIVIDAD # 2.1: Complete la siguiente rejilla según la clasificación de cada una de las ondas

DIRECCIÓN DE PROPAGACIÓN

MOVIMIENTO DE SUS PARTÍCULAS

MEDIO DE PROPAGACIÓN

1D 2D 3D Longitudinal Transversal Mecánica Electro

ELEMENTOS DE UNA ONDA

CRESTA O MONTE: Posición mas alta con respecto a la posición de equilibrio

VALLE: Posición más baja con respecto a la posición de equilibrio

AMPLITUD (A): Es la altura de una cresta o la profundidad de un valle

ELONGACIÓN (X): Distancia del punto de equilibrio hasta cualquier parte de la onda


LONGITUD DE ONDA ( λ ): Es la distancia, medida en la dirección de la propagación de la onda que

existe entre dos puntos consecutivos de posición semejante. También se le define como el espacio

que una onda recorre en un tiempo igual al período. De hecho, si comparamos a una onda con un

tren, la longitud de onda seria la longitud de uno de los vagones del tren, como se ilustra en la

siguiente figura.

Se puede calcular como:

𝜆 =𝐿

𝑛

PERÍODO (T).- Es el tiempo transcurrido durante la realización de un ciclo; o también, el tiempo que demora un solo pulso en pasar por un punto dado

En nuestro tren de ejemplo, corresponde al tiempo que demora un solo vagón en pasar por un punto

dado

FRECUENCIA (f).- Es el número de ciclos o pulsos que pasan por un punto en una unidad de tiempo. Equivale a contar en número de vagones del tren que pasan por un punto, en una unidad de tiempo

λ : longitud de onda

L : Largo total de la onda (largo del tren)

n : número de osciladores o pulsos (número de vagones)


Donde: n° de ondas: cantidad de ondas que logran pasar por un minuto dado.

t: tiempo que demoran las ondas en pasar

RAPIDEZ DE PROPAGACIÓN (V ).- Es la distancia por unidad de tiempo que recorre un cuerpo u objeto

al moverse. En general, la rapidez puede calcularse como:

En el caso particular de una onda, la rapidez también puede calcularse como:

- La rapidez de propagación de una onda es constante mientras viaja por un mismo medio

- Depende del tipo de onda y de características del medio tales como: elasticidad, densidad y

temperatura


ACTIVIDAD # 2.2: Me ejercito

ONDAS VIAJERAS UNIDIMENSIONALES

Daremos a conocer la ecuación de una onda unidimensional. A) Cuando la onda se propaga de izquierda a derecha.

B) Cuando la onda se propaga de derecha a izquierda.

PROBLEMA 1 PROBLEMA 2



ONDAS ESTACIONARIAS

Las ondas estacionarias son un tipo especial de onda que solo puede

formarse bajo condiciones bien específicas. Una onda estacionaria

puede adoptar varios “modos” de vibración. En el caso de una cuerda

sometida a tensión, el modo de vibración que adopte la onda

dependerá de la longitud de la cuerda, de su densidad por unidad de

longitud y de la tensión a la que se encuentre sometida.

Las ondas estacionarias solo se forman para frecuencias bien

definidas, llamadas "frecuencias de resonancia".

Si la cuerda adopta el siguiente patrón de onda estacionaria,

entonces se dice que vibra en su “primer modo de vibración” o

“primer armónico”.

La frecuencia f1 con la que vibra la cuerda en este caso se denomina “frecuencia fundamental”.

Si ahora aumentamos la frecuencia de vibración de la cuerda al doble

de su frecuencia fundamental, entonces se obtiene el segundo modo

de vibración o "segundo armónico".

Si aumentamos la frecuencia al triple de la fundamental, entonces

obtenemos el tercer armónico.

Y así sucesivamente.

Ejemplo 1 Ejemplo 2


El conjunto de los armónicos de la cuerda se denomina "serie armónica".

Las ondas estacionarias pueden generarse en cuerdas, membranas o en columnas de aire y son muy

importantes, por ejemplo, en el sonido. Están presentes al pulsar la cuerda de una guitarra, al golpear un

tambor o al soplar una flauta.

En el segundo

armónico, la longitud

de la cuerda equivale a

λ


ACTIVIDAD # 2.3: Me ejercito

PROBLEMA COMPLEMENTARIO

La figura muestra el perfil de una onda

periódica que se propaga en cierto medio

Al respecto, ¿a cuantas longitudes de onda

corresponde la distancia entre los puntos

P y Q?

Problema 2


BLOQUE 3 Sonido

SONIDO Y SUS CARACTERÍSTICAS

El sonido es una onda producida por un objeto material que vibra, que se propaga

por un medio (sólido, líquido o gaseoso) cuyas partículas tienen la capacidad de

vibrar (medio elástico).

Es una onda mecánica y longitudinal

Ejemplo: ¿cómo genera el sonido un diapasón?


CLASIFICACIÓN DEL SONIDO

Los sonidos pueden ser clasificados según su frecuencia de la siguiente forma:

CARACTERÍSTICAS DEL SONIDO

Nos permiten diferenciar un sonido de otro.

El sonido posee tres características:

- Volumen o intensidad

- Tono o altura

- Timbre

Cada una de ellas se relaciona con una característica de la onda sonora.

1) Volumen o intensidad: Está relacionado con la energía que la onda sonora transporta y, por lo tanto,

con la amplitud de la onda.

Se mide en una unidad llamada decibel (dB)


2) Tono o altura: Es una característica que está relacionada con la frecuencia de la onda sonora.

Las frecuencias bajas (vibraciones lentas) producen sonidos graves.

Las frecuencias altas (vibraciones rápidas) producen sonidos agudos.

3) Timbre: Es una característica del sonido que permite diferenciar entre dos sonidos de igual tono e

intensidad, emitidos por dos fuentes sonoras diferentes. Por ejemplo, un violín y una guitarra.

El timbre depende de las características constructivas del cuerpo que emite el sonido.


¿Sabes la respuesta?

FENÓMENOS ONDULATORIOS Y SONIDO

A. Reflexión

El sonido puede reflejarse o “rebotar” al incidir sobre una superficie.

A la reflexión de una onda sonora solemos llamarla “eco”. Este se produce cuando el sonido emitido por

una persona u objeto se refleja en un medio más denso y vuelve al emisor.

Para que el eco se escuche claramente, el emisor debe estar ubicado al menos a 17 [m] de la superficie

reflectora.

El sonar y algunos animales utilizan el “eco” para localizarse o cazar

2. ¿Cuál(es) de las siguientes modificaciones logra(n)

producir un cambio en el timbre de un sonido?

I. Cambiar la frecuencia de la onda sonora

II. Modificar las características físicas del objeto

que emite el sonido

III. Modificar la amplitud de la onda sonora

A) Solo II

B) Solo I y II

C) Solo I y III

D) Solo II y III

E) I, II y III

1. ¿Con qué característica de una onda

sonora está relacionada la Intensidad de los

sonidos que escuchamos?

A) Frecuencia.

B) Amplitud.

C) Velocidad.

D) Forma.

E) Longitud de onda.


B. Refracción

Cuando el sonido pasa de un medio a otro distinto

cambia su dirección de propagación. Este fenómeno

se conoce como refracción del sonido.

La desviación del sonido se relaciona con un cambio

en su rapidez de propagación, al viajar por un medio

distinto.

Por ejemplo, el sonido se propaga más rápidamente en el aire caliente que en el aire frío, por lo que

sufre refracción.

Influencia de la temperatura del aire en la refracción del sonido.

El sonido tiende a “curvarse” producto de las diferencias de temperatura en el aire. El efecto puede llegar

a ser importante para distancias grandes.

C. Difracción

Si el sonido encuentra un obstáculo en su dirección de

propagación, es capaz de rodearlo y seguir propagándose. A

este fenómeno se le denomina difracción del sonido.

La persona B puede escuchar a la persona A, en virtud de que el

sonido emitido por A rodea el muro y llega al oído de B.

D. Transmisión

El sonido, como toda onda, tiene la capacidad de pasar desde un medio a otro distinto (que le permita el

paso), es decir, tiene la capacidad de transmitirse. Al transmitirse de un medio a otro diferente, la onda

siempre cambia su velocidad y su longitud de onda. Su frecuencia permanece constante.

En el caso del sonido, la velocidad con la que se propaguen las ondas depende únicamente de las

características del medio, siendo independiente de la frecuencia que la onda posea.

En el aire, el sonido viaja más rápido a mayor temperatura.


En general, el sonido viaja más rápido en los medios más densos:

V sonido sólidos > V sonido líquidos > V sonido gases

E. Interferencia

Los sonidos se pueden interferir modificándose la amplitud de la onda sonora resultante. En el caso de un estadio o un coro, las voces se “suman” interfiriéndose “constructivamente”. Un caso de interferencia destructiva es la “cancelación de ruido” mediante la generación de un sonido de una frecuencia específica, para generar “silencio” en los audífonos del piloto de un avión.


F. Absorción

Es la capacidad que poseen algunos materiales para absorber ondas de sonido.

Mientras mayor capacidad de absorber sonido tiene un material, menor es su capacidad para reflejarlo.

Un material es mejor absorbente mientras menos denso y más blando sea, como alfombras, cortinas y espumas. Los sonidos más agudos son absorbidos con mayor facilidad que los graves.

¿Por qué una sala de grabación casera es recubierta con cajas de huevo?

¿Por qué las salas de cine están recubiertas con alfombras y cortinas?

Una cámara anecoica es una sala especialmente diseñada para absorber el sonido que incide sobre las

paredes, el suelo y el techo, anulando los efectos de eco y reverberación.

Las salas de grabación y los cines son ejemplos de cámaras anecoicas.

G. Resonancia

Es la vibración espontánea que experimenta un cuerpo cuando se ve afectado por una

vibración o sonido de su misma frecuencia. La resonancia produce un

“aumento en la intensidad” de los sonidos.

Los instrumentos poseen “cajas de resonancia” para obtener mayor

volumen.


Nuestro pecho, garganta y cavidades buco - nasales son “cajas de

resonancia” naturales.

H. Efecto Doppler

Es el cambio aparente en la frecuencia de un sonido que un observador percibe

cuando existe movimiento entre él y la fuente sonora.

¿Por qué se produce?

1. Fuente sonora acercándose: la distancia entre las ondas de sonido disminuye.

La frecuencia del sonido se percibe mayor que la real. Se escucha el tono más

agudo.

2. Fuente sonora alejándose: la distancia entre las ondas de sonido aumenta.

La frecuencia del sonido se percibe menor que la

real. Se escucha el tono más grave.

La frecuencia aparente que percibe el receptor en el efecto Doppler se puede

calcular con la siguiente expresión:

Una cantante que mantenga una

nota de cierta frecuencia puede

llegar a inducir vibraciones en un

vaso. Si la cantante persiste, la

energía absorbida por el vaso

puede llegar a causar vibraciones

tan grandes que el caso se rompe

(resonancia)


En la siguiente tabla se analizan TODOS LOS CASOS, según quién y cómo estén en movimiento el emisor y

el receptor, o ambos:


EJERCICIO DE APLICACIÓN

SONIDO Y RUIDO

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