Cualidades Físicas del Sonido

El sonido posee tres cualidades fundamentales que permiten su caracterización:

Intensidad del Sonido

Es la cantidad de energía que atraviesa en un segundo la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación del sonido. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m²).

• La intensidad depende de la amplitud de la onda y permite distinguir entre sonidos fuertes (ondas de gran amplitud) y débiles (ondas de poca amplitud).
• La sensación que se produce en el oído al percibir cierta intensidad de sonido se llama sonoridad o intensidad fisiológica.

Tono

Es una cualidad relacionada con la frecuencia del sonido. Nos permite distinguir entre sonidos agudos (frecuencia alta) y sonidos graves (frecuencia baja).

Timbre

Es una cualidad que nos permite distinguir dos sonidos con la misma intensidad y el mismo tono, emitidos por dos instrumentos diferentes. Está relacionado con la forma de la onda.

Clasificación y Parámetros de las Ondas

Tipos de Ondas según la Dirección de Propagación

• Ondas Longitudinales: Ocurren si la dirección de oscilación de las partículas coincide con la dirección de propagación. Ejemplos: el sonido, las ondas sísmicas P o las ondas producidas al comprimir y dilatar un muelle. Se propagan por cualquier medio material (sólido, líquido o gaseoso). Cuando se propagan en un fluido se denominan ondas de presión.
• Ondas Transversales: Ocurren si la dirección de oscilación de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación. Ejemplos: las ondas que viajan por una cuerda, las ondas sísmicas S o las ondas electromagnéticas. Las ondas mecánicas transversales requieren medios con cierta rigidez (como el interior de los sólidos o las superficies de los líquidos).

Características Fundamentales de la Onda

Amplitud (A)

Es el valor máximo de la magnitud perturbada. En una onda sonora, representa el máximo desplazamiento de las partículas del medio respecto a su posición de equilibrio; en una onda electromagnética, representa el valor máximo del campo eléctrico o del campo magnético.

Longitud de Onda (λ)

Es la distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en idéntico estado de perturbación (en idéntica fase). Es la periodicidad espacial de la onda. (Unidad SI: metro).

Período (T)

Es el tiempo que tarda un punto cualquiera en repetir un determinado estado de perturbación u oscilación. Es la periodicidad temporal de la onda. (Unidad SI: segundo).

Frecuencia (f o ν)

Es el número de veces que un determinado punto repite cierto estado de perturbación por unidad de tiempo. Es la inversa del período (ν = 1/T).

El Principio de Huygens (1690)

La propagación de una onda depende del movimiento de su frente de onda (superficies que pasan por los puntos donde una onda oscila con la misma fase). Christiaan Huygens ideó un método geométrico para construir el frente de onda en un instante dado.

Enunciado del Principio

Los puntos situados en un frente de ondas se convierten en fuentes de ondas secundarias, cuya envolvente constituye un nuevo frente de ondas primario.

Aplicación y Consecuencias

La forma de aplicarlo es la siguiente: se trazan pequeños círculos de igual radio con centros en diferentes puntos de un frente de ondas, y luego se traza la envolvente de los círculos, la cual constituye el nuevo frente de ondas. Este principio es válido para todo tipo de ondas (materiales o no).

Una consecuencia del principio de Huygens es que todos los rayos (líneas perpendiculares a los frentes de onda) tardan el mismo tiempo entre dos frentes de onda consecutivos.

Fenómenos Ondulatorios: Reflexión y Refracción

La reflexión y la refracción son dos fenómenos ondulatorios básicos que implican la desviación de la dirección de propagación de la onda.

La Reflexión

La onda continúa propagándose en el mismo medio de donde proviene, pero con distinta dirección y sentido. Ejemplos: la reflexión de la luz en un espejo o el eco que se produce al reflejarse el sonido en un obstáculo.

La Refracción

La onda cambia de medio de propagación, produciéndose un cambio de dirección al pasar oblicuamente al nuevo medio, debido a que se propaga en él con diferente velocidad. Ejemplos: la refracción de la luz al pasar del agua al aire (que hace que un objeto sumergido parezca quebrado) o la desviación del sonido al pasar por distintas capas atmosféricas.

Desde el punto de vista energético, la energía de la onda incidente se reparte entre la onda reflejada y la refractada.

Leyes de la Reflexión y la Refracción

1. Las direcciones de incidencia, reflexión y refracción están en el mismo plano, que es perpendicular a la superficie de separación y contiene a la normal.
2. El ángulo que forma la dirección de incidencia con la normal es igual al ángulo que forma la dirección de reflexión con la normal.
3. El cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es constante e igual al cociente entre los respectivos valores de la velocidad de propagación de la onda en ambos medios.

La Ley de Coulomb

La interacción electrostática entre dos partículas puntuales cargadas eléctricamente (q₁ y q₂) es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que las separa, y depende de la naturaleza del medio que las rodea.

Características de la Fuerza Electrostática

Las fuerzas electrostáticas (F₁₂ y F₂₁) forman un par de fuerzas de acción y reacción. Su dirección es la de la recta que une sus centros y su sentido es de atracción si las cargas tienen distinto signo y de repulsión si tienen el mismo signo.

Expresión Escalar

La magnitud de la fuerza se expresa como:

F = k * (q₁ * q₂) / r²

Donde k es la constante eléctrica (determinada por Coulomb usando la balanza de torsión), la cual depende del medio. K se define a menudo en función de la permitividad (ε).

La fuerza electrostática es una fuerza a distancia, central y conservativa.

Comparación con la Fuerza Gravitatoria

Aunque ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia, existen diferencias fundamentales:

• La fuerza gravitatoria es siempre atractiva, mientras que la electrostática puede ser atractiva o repulsiva.
• La fuerza gravitatoria no depende del medio (G es universal), mientras que la eléctrica sí depende del medio (K depende del medio).
• La intensidad de la fuerza gravitatoria es mucho menor que la intensidad de la fuerza electrostática para valores equivalentes de masa o carga.

En una distribución de cargas eléctricas, se cumple el principio de superposición.

Inducción Electromagnética: Faraday y Lenz

La inducción electromagnética consiste en la generación de corriente eléctrica inducida por un campo magnético variable.

Condiciones para la Inducción (Faraday y Henry)

Las experiencias demostraron que se induce corriente eléctrica si:

1. Existe movimiento relativo entre el imán (o electroimán) y la espira (o bobina). La corriente es mayor cuanto mayor sea la velocidad del movimiento.
2. Se modifica el campo magnético que atraviesa el circuito, incluso sin haber desplazamientos físicos (por ejemplo, variando la intensidad de la corriente que lo genera).

Ley de Faraday-Henry

Esta ley cuantifica la fuerza electromotriz (fem) inducida:

El valor de la fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de signo opuesto a la rapidez con que varía el flujo magnético a través de la superficie limitada por el mismo, independientemente de las causas que provoquen la variación del flujo.

Ley de Lenz y Conservación de la Energía

El signo negativo de la Ley de Faraday es explicado por la Ley de Lenz:

La dirección y sentido de la corriente inducida es tal que el campo magnético creado por ella se opone a la variación del flujo magnético que la produce.

Este mecanismo actúa como una»inercia de la naturalez» que tiende a mantener el estado de equilibrio original. La Ley de Lenz es una manifestación del principio de conservación de la energía, ya que se requiere un trabajo externo para mantener la corriente inducida.

Principios Básicos de la Inducción

1. Toda variación del flujo de un campo magnético externo que atraviesa un circuito cerrado produce una fem inducida y, por tanto, una corriente eléctrica inducida que se opone a esa variación.
2. La corriente inducida es una corriente instantánea, pues solo dura mientras dura la variación del flujo.

Aplicaciones y Síntesis de Maxwell

En el fenómeno de la inducción electromagnética se fundamentan:

• Los generadores eléctricos de corriente alterna (transforman energía mecánica en eléctrica).
• Los motores eléctricos (transforman energía eléctrica en mecánica).
• Los transformadores (esenciales para el transporte de energía a largas distancias).

Además, la inducción electromagnética fue clave para el desarrollo de la síntesis electromagnética de Maxwell, unificando la electricidad, el magnetismo y la óptica.