Sonido, luz y fluidos

SONIDO
• Definición: fenómeno físico que estimula el sentido del oído. En los seres humanos, esto ocurre siempre
que una vibración con frecuencia comprendida entre unos 15 y 20.000 hercios llega al oído interno. El
hercio (Hz) es una unidad de frecuencia que corresponde a un ciclo por segundo. Estas vibraciones llegan al
oído interno transmitidas a través del aire, y a veces se restringe el término sonido a la transmisión en este
medio. Sin embargo, en la física moderna se suele extender el término a vibraciones similares en medios
líquidos o sólidos. Los sonidos con frecuencias superiores a unos 20.000 Hz se denominan ultrasonidos.
• Cualidades:
Frecuencia: Percibimos la frecuencia de los sonidos como tonos más graves o más agudos.
Amplitud y volumen: La amplitud es la característica de las ondas sonoras que percibimos como volumen.
Intensidad fisiológica de un sonido: La intensidad fisiológica o sensación sonora de un sonido se mide en
decibelios (dB). Por ejemplo, el umbral de la audición está en 0 dB, la intensidad fisiológica de un susurro
corresponde a unos 10 dB y el ruido de las olas en la costa a unos 40 dB.
Timbre de un sonido: El timbre es la característica del sonido que nos permite distinguir los tonos producidos
por instrumentos distintos aunque las ondas sonoras tengan la misma amplitud y frecuencia.
Sonido en el agua: Las ondas sonoras se desplazan con más rapidez y eficacia por el agua que por el aire seco,
lo que permite a la mayoría de los cetáceos comunicarse entre sí a grandes distancias.
• Tipo de sonido:
Tres tipos de sonido importantes
En la voz, la música y el ruido, es raro escuchar un tono puro. Una nota musical contiene, además de la
frecuencia fundamental, tonos más agudos que son armónicos de la misma. La voz contiene una mezcla
compleja de sonidos, de los que algunos (pero no todos) guardan una relación armónica entre sí. El ruido está
formado por una mezcla de muchas frecuencias diferentes dentro de un determinado rango; por tanto, puede
compararse con la luz blanca, que se compone de una mezcla de luces de los distintos colores. Los distintos
ruidos se distinguen por sus diferentes distribuciones de energía en los distintos rangos de frecuencias.
• Instrumento musical:
Cordófonos: con teclado Los cordófonos con teclado son instrumentos musicales que se tocan mediante la
pulsación de teclas que a su vez accionan un mecanismo que golpea una cuerda. Además de los conocidos
piano, clavicémbalo y clavicordio, este grupo incluye instrumentos folclóricos como el salterio.
Lengüeta simple y doble: Los instrumentos en los que el sonido se produce por la vibración de aire al
atravesar una o dos lengüetas, pertenecen a la familia instrumental de los aerófonos. Instrumentos de lengüeta
simple son el clarinete y el saxofón y de lengüeta doble el oboe y el fagot.
Lengüetas libres: Las armónicas del Lejano Oriente son los antecedentes de todos los instrumentos de este
tipo que existen en la actualidad. Se trata de instrumentos musicales que tienen una serie de tubos en los que
hay una sola lengüeta. El aire pasa por ella y la hace vibrar, con lo que se produce el sonido.
Cordófonos pulsados: Los cordófonos pulsados son conocidos también como laúdes. Incluyen todos los
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instrumentos que se tocan pulsando las cuerdas con los dedos, plectros o púas para producir la vibración que
luego resonará en la caja del instrumento.
Membranófonos: Los tambores pertenecen a la familia instrumental de los membranófonos. Estos
instrumentos se tocan golpeando con las manos o con baquetas en una piel o membrana que se coloca tensa
sobre un bastidor.
• Velocidad del sonido:
En la tabla se muestra la velocidad de propagación del sonido en distintos medios a una temperatura
determinada.
SUSTANCIA
VELOCIDAD DEL SONIDO (m/s)
Aire (0 ºC)
Aire (20 ºC)
Hidrógeno (0 ºC)
Agua (0 ºC)
Agua (20 ºC)
Cobre (20 ºC)
Acero (20 ºC)
Vidrio (20 ºC)
331,6
344
1.280
1.390
1.484
3.580
5.050
5.200
LUZ
• Concepto: forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos X.
La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango
determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Las diferentes sensaciones de
color corresponden a luz que vibra con distintas frecuencias, que van desde aproximadamente 4 × 1014
vibraciones por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7,5 × 1014 vibraciones por segundo en la luz
violeta.
• Velocidad de la luz: En la actualidad, la velocidad de la luz en el vacío se toma como 299.792.458 m/s, y
este valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de
ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver. Este es el principio del radar.
• Refracción:
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• Difracción: fenómeno del movimiento ondulatorio en el que una onda de cualquier tipo se extiende
después de pasar junto al borde de un objeto sólido o atravesar una rendija estrecha, en lugar de seguir
avanzando en línea recta. La expansión de la luz por la difracción produce una borrosidad que limita la
capacidad de aumento útil de un microscopio o telescopio; por ejemplo, los detalles menores de media
milésima de milímetro no pueden verse en la mayoría de los microscopios ópticos. Sólo un microscopio
óptico de barrido de campo cercano puede superar el límite de la difracción y visualizar detalles
ligeramente menores que la longitud de onda de la luz.
• Ilusiones ópticas:
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FLUIDOS
• Definición: sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que
fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que
componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El
volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una
superficie límite definida.
• Propiedades: DENSIDAD ( = ro)
La densidad de una sustancia, se define como la masa de la unidad de volumen de dicha sustancia.
Las unidades de la densidad en los diferentes sistemas son:
Sistema MKS
Sistema Técnico
Sistema CGS
Sistema Inglés
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La densidad del agua en el sistema M.K.S. es:
y en el sistema c.g.s. es:
1.3.2 PESO ESPECIFICO ( = gamma)
En el sistema Técnico el peso específico se define como el peso de la unidad de volumen de una sustancia.
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En el sistema técnico de unidades el valor del peso específico del agua es:
En el sistema M.K.S., el peso específico de una sustancia, se define como la fuerza ejercida por la gravedad de
la tierra sobre la unidad de volumen de dicha sustancia.
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Como
y
También
Los valores de la densidad y peso específico del agua en los diferentes sistemas de unidades serían:
Sistema M.K.S.:
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Sistema Técnico
Equivalencias de unidades entre los sistemas MKS e Inglés.
1 Kg.(f) = 2,2 Lbs
1m
= 3,28 pies
1 m2 = 10,76 pies2
1 m3 = 35,29 pies3
Sistema Inglés
El peso de una sustancia expresado en función de la densidad y de su peso específico sería:
Peso = Fuerza = Masa ð Acel
= masa ð gravedad
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Peso
1.3.3 DENSIDAD RELATIVA ( = sigma)
La densidad relativa de una sustancia, es la relación de su densidad, comparada con la densidad del agua a una
temperatura de 4ðC y una presión (atmosférica) estándar. Esta medida es adimensional.
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La densidad relativa del agua sería:
TABLA 2
Valores de la densidad, peso específico y densidad relativa del agua
en los diferentes sistemas de unidades
PROPIEDADES
MKS
TÉCNICO
10
1
1
1.3.4 VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS
La viscosidad es esa propiedad de los fluidos que por virtud de la cohesión e interacción entre las moléculas
del fluido, ofrece resistencia a la deformación ( Shear Deformation). Diferentes fluidos se deforman a
diferentes ratas bajo la acción de un mismo esfuerzo cortante.
Fluidos con una alta viscosidad como la miel se deforman relativamente más despacio que los fluidos de baja
viscosidad como el agua.
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Todos los fluidos son viscosos y los "fluidos Newtonianos" obedecen la relación lineal:
( Ley de Newton de la viscosidad)
donde:
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Esfuerzo cortante
Gradiente de velocidad o rata de deformación
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ð = mu = Coeficiente de Viscosidad dinámica ( o absoluta)
o
Una unidad menor de viscosidad, llamada poise, es
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1.3.5 VISCOSIDAD CINEMÁTICA ( ð = nu)
Es la relación de la viscosidad dinámica a la densidad de masa, expresada en m²/seg.
(MKS)
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(Téc)
Una unidad menor de la viscosidad cinemática es el Stoke. (1 stoke = 1 cm²/seg)
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El agua es un fluido Newtoniano que tiene una viscosidad dinámica de
o viscosidad cinemática de
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a 20 ðC.
1.3.6 COMPRESIBILIDAD Y ELASTICIDAD DE LOS FLUIDOS
Todos los fluidos son compresibles bajo la aplicación de una fuerza externa y cuando se quita dicha fuerza,
estos se expanden a su volumen original, exhibiendo la propiedad de que el esfuerzo es proporcional a la
reducción volumétrica.
1.3.7 PRESIÓN DE VAPOR DE LOS LÍQUIDOS
Un líquido en un recipiente cerrado está sujeto a una presión de vapor parcial debido al escape de moléculas
de la superficie: este alcanza un estado de equilibrio cuando esta presión alcanza la presión de vapor saturado.
Como esto depende de la actividad molecular, la cual es función de la temperatura, la presión de vapor de un
fluido también depende de su temperatura y aumenta con ella.
Si la presión sobre un líquido alcanza la presión de vapor del líquido, hace que este hierva; por ejemplo, si la
presión se reduce lo suficiente, el líquido puede hervir a la temperatura ambiente.
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La presión de vapor saturada para el agua a 20 ðC es
1.3.8 TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD
Los líquidos poseen las propiedades de cohesión y adhesión debido a la atracción molecular. Debido a la
propiedad de cohesión, los líquidos pueden resistir pequeñas fuerzas de tensión en la interfase entre el líquido
y aire, conocida como tensión superficial ( : N/m : Mt−2).
Si las moléculas líquidas tienen mayor adhesión que cohesión, entonces el líquido se pega a las paredes del
recipiente con el cual está en contacto, resultando en un aumento (elevación) de la capilaridad de la superficie
del líquido; un predominio de la cohesión causa por el contrario una depresión de la capilaridad. La tensión
superficial para el agua a 20 ðC es de
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El aumento o depresión de la capilaridad h de un líquido en un tubo de diámetro d puede escribirse como
, donde ð es el ángulo de contacto entre el líquido y el sólido.
La tensión superficial aumenta la presión dentro de una gota del líquido. La presión interna P, que balancea la
fuerza de tensión superficial de una pequeña gota esférica de radio r, está dada por:
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• Principio de Arquímedes: Al sumergirse parcial o totalmente en un fluido, un objeto es sometido a una
fuerza hacia arriba, o empuje. El empuje es igual al peso del fluido desplazado. Esta ley se denomina
principio de Arquímedes, por el científico griego que la descubrió en el siglo III antes de nuestra era. Aquí
se ilustra el principio en el caso de un bloque de aluminio y uno de madera. (1) El peso aparente de un
bloque de aluminio sumergido en agua se ve reducido en una cantidad igual al peso del agua desplazada.
(2) Si un bloque de madera está completamente sumergido en agua, el empuje es mayor que el peso de la
madera (esto se debe a que la madera es menos densa que el agua, por lo que el peso de la madera es menor
que el peso del mismo volumen de agua). Por tanto, el bloque asciende y emerge del agua parcialmente
desplazando así menos agua hasta que el empuje iguala exactamente el peso del bloque.
• Antoine Laurent de Lavoisier: (1743−1794), químico francés, considerado el fundador de la química
moderna.
Nació el 26 de agosto de 1743 en París y estudió en el Instituto Mazarino. Fue elegido miembro de la
Academia de Ciencias en 1768. Ocupó diversos cargos públicos, incluidos los de director estatal de los
trabajos para la fabricación de la pólvora en 1776, miembro de una comisión para establecer un sistema
uniforme de pesas y medidas en 1790 y comisario del tesoro en 1791. Lavoisier trató de introducir reformas
en el sistema monetario y tributario francés y en los métodos de producción agrícola. Como dirigente de los
campesinos, fue arrestado y juzgado por el Tribunal Revolucionario y guillotinado el 8 de mayo de 1794
(véase Revolución Francesa).
Lavoisier realizó los primeros experimentos químicos realmente cuantitativos. Demostró que en una reacción
química, la cantidad de materia es la misma al final y al comienzo de la reacción. Estos experimentos
proporcionaron pruebas para la ley de la conservación de la materia (véase Leyes de conservación). Lavoisier
también investigó la composición del agua y denominó a sus componentes oxígeno e hidrógeno.
Algunos de los experimentos más importantes de Lavoisier examinaron la naturaleza de la combustión,
demostrando que es un proceso en el que se produce la combinación de una sustancia con oxígeno. También
reveló el papel del oxígeno en la respiración de los animales y las plantas. La explicación de Lavoisier de la
combustión reemplazó a la teoría del flogisto, sustancia que desprendían los materiales al arder.
Con el químico francés Claude Louis Berthollet y otros, Lavoisier concibió una nomenclatura química, o
sistema de nombres, que sirve de base al sistema moderno. La describió en Método de nomenclatura química
(1787). En Tratado elemental de química (1789), Lavoisier aclaró el concepto de elemento como una
sustancia simple que no se puede dividir mediante ningún método de análisis químico conocido, y elaboró una
teoría de la formación de compuestos a partir de los elementos. También escribió Sobre la combustión (1777)
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y Consideraciones sobre la naturaleza de los ácidos (1778).
• Principio de pascal: Este concepto fue formulado por primera vez en una forma un poco más amplia por el
matemático y filósofo francés Blaise Pascal en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicho
principio, que tiene aplicaciones muy importantes en hidráulica, afirma que la presión aplicada sobre un
fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del
recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debidas al peso del fluido y a la
profundidad.
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