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ABSORCIÓN Y RESONANCIA |
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Absorción |
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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. |
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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%. |
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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)]
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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. |
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Resonancia |
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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. |
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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.
Clic
aquí
para descargar esta animación [Si no lo tienes instala
Modellus
2.5 (32 bits) o
Modellus 3 (64 bits)] |
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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).
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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. |
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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). |
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