ABSORCIÓN Y RESONANCIA


 
Absorción
 

Aunque una onda mecánica no sufra amortiguación, sí se producen normalmente pérdidas de energía. Los medios no son perfectamente elásticos y debido a rozamientos, viscosidad y otros factores, la intensidad suele disminuir al alejarnos del foco porque parte de la energía emitida por él va siendo absorbida por el propio medio, por medios contiguos o por objetos interpuestos en el camino de avance de la onda. Este fenómeno se llama absorción. Con la absorción decae la intensidad del movimiento ondulatorio debido a que las moléculas del medio tienen dificultad para reproducir y transmitir la vibración. Parte de la energía ondulatoria se invierte en un movimiento desordenado de dichas moléculas con lo que la energía de la onda se va transformando con mayor o menor rapidez en energía interna del objeto que está siendo atravesado por ella.

 

En este documento se deduce la ley que calcula el decaimiento de la intensidad de una onda cuando se produce absorción y también la expresión del llamado espesor de semi-absorción: distancia que penetra una onda en un medio hasta que su intensidad decae en un 50%.

 

 

Estos conceptos se pueden trabajar usando una animación Modellus interactiva que representa el recorrido de una onda plana transmitiéndose inicialmente por un medio transparente y a continuación por un medio absorbente. El usuario puede modificar la intensidad de la onda incidente y el coeficiente de absorción del medio absorbente, obteniendo el correspondiente espesor de semi-absorción.

Clic aquí para descargar esta animación [Si no lo tienes instala Modellus 2.5 (32 bits) o Modellus 3 (64 bits)]

 

Evidentemente el estudio formal de la absorción tiene mucho interés práctico. Por ejemplo, interesa disponer de materiales adecuados para absorber ondas sonoras y aislar acústicamente viviendas, salas de música, etc.

 
Resonancia
 

Algunas veces ocurre que un objeto interpuesto en el camino de propagación de una onda se pone a vibrar cuando recibe energía del movimiento ondulatorio. La energía absorbida se emplea en producir un movimiento de vibración del objeto entero y se dice que dicho cuerpo entra en resonancia con la onda recibida. Para entender este proceso se ha de tener en cuenta que todos los cuerpos tienen frecuencias propias de vibración; si esa frecuencia propia o frecuencia natural del oscilador coincide con la de la onda "resuenan" al paso de ésta.

 

La animación Modellus adjunta,  simula oscilaciones forzadas en un muelle elástico. La frecuencia natural del mismo depende de los parámetros que determinan sus oscilaciones, es decir, de su masa y de su constante elástica y, como vemos, en la pantalla de la animación se dispone de sendos controladores manuales (de color azul oscuro) con los que podemos modificar estos dos parámetros obteniendo la frecuencia natural correspondiente.

A partir de aquí, vemos que también hay en la pantalla otros dos controladores (de color rojo) con los que podemos modificar la amplitud y la frecuencia de la fuerza motriz que queremos aplicar externamente al muelle. Mientras la frecuencia aplicada externamente es distante de la frecuencia natural del muelle la oscilación que se aplica no se acopla perfectamente con él y la oscilación resultante que obtenemos no es lo intensa que podríamos esperar. Pero, si partiendo de esta situación, vamos modificando el valor de fuerza motriz aplicada para que su frecuencia se vaya aproximando cada vez más a la frecuencia natural, comprobamos que se va obteniendo una oscilación cada vez más intensa, hasta llegar a un máximo conseguido exactamente cuando la frecuencia de la fuerza motriz aplicada es idéntica a la frecuencia natural del sistema. En en este punto cuando se produce la resonancia.

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Por lo que se refiere a la resonancia de ondas sonoras, se puede comprobar experimentalmente utilizando diapasones, como los disponibles en la mayoría de los laboratorios escolares. El diapasón es un instrumento metálico con forma de U, que, después de ser golpeado en un extremo, se mantiene vibrando durante bastante tiempo. La vibración natural de cada diapasón ocurre con una determinada frecuencia (en este caso depende del material del diapasón, su forma y su tamaño) y, por tanto, el diapasón emite un sonido de esa frecuencia. El clip de video adjunto, filmado por los estudiantes, muestra la vibración de un diapasón del laboratorio cuya frecuencia natural o propia era 560Hz.

Otra experiencia muy interesante consiste en hacer vibrar un diapasón y colocarlo muy próximo a otro igual. Entonces, el segundo entra en resonancia, como podemos comprobar acercándolo a nuestro oído (se percibe un sonido de la misma tonalidad y más débil que el del primero).

 

El fenómeno de la audición está íntimamente relacionado con la resonancia. El oído tiene 4500 fibras de diferente longitud, preparadas para resonar con sonidos cuya frecuencia esté comprendida entre 20000 y 20 Hz . Cuando un sonido llega a nuestro oído, el tímpano lo transmite a la cadena de huesecillos del oído medio hasta el caracol, donde sólo vibra la fibra que puede entrar en resonancia con el tono del sonido recibido. Los estímulos recogidos por las fibras producen diferencias de potencial que varían con el ritmo de la onda sonora recibida. Estas diferencias de potencial dan lugar a corrientes eléctricas que llegan al cerebro a través de los nervios.

 

 

Por otra parte, las cualidades subjetivas que atribuimos a los sonidos recibidos se relacionan directamente con propiedades físicas de las onda sonora recibida. El volumen (alto o bajo) indica la intensidad del movimiento ondulatorio, el tono (agudo o grave) corresponde a la frecuencia (alta o baja) de la vibración y el timbre (cualidad por la que se distingue, por ejemplo, el sonido de un violín del de una flauta) depende de un conjunto de frecuencias acopladas a cada sonido simple que se pueden combinar con el llamado armónico fundamental (frecuencia o tono principal).