laboratorio de sonidos
Bienvenidos al laboratorio de sonidos!... Aqui vamos a experimentar un poco con los sonidos, aprender como se producen y como se propagan. Para aprovechar mejor la visita a este laboratorio virtual nuestra computadora debera tener instalada una placa de sonido con sus correspondientes parlantes y, si es posible, un microfono. Pero si no tenemos esas cosas, tambien aprenderemos mucho.
En "El sonido de los objetos", del capitulo de Experimentos de Fisica, deciamos:
Todos hemos escuchado el sonido de una campana. Pero...como se produce ese sonido? La campana es un cuerpo metálico que vibra al ser golpeado, a su vez esas vibraciones del metal provocan vibraciones en el aire que las rodea y esas vibraciones viajan por el aire, en forma de ondas de sonido, hasta nuestros oídos, donde hacen vibrar el témpano, allí se generan pequeñas corrientes electricas que van a nuestro cerebro y entonces...oímos la campana!...
Las ondas de sonidoCualquier cosa que suene hace que se generen ondas de sonido u ondas acsticas, que viajan por el aire. Por esa razon, si llevamos la campana a la Luna no podríamos oirla porque allí no hay aire, no hay atmósfera. Esas ondas viajan tambien por un cuerpo sólido: si apoyamos en una oreja el extremo de una regla o una varilla de cualquier material y raspamos el otro extremo, oiremos claramente el sonido que se genera.
Y por supuesto el sonido también viaja en los líquidos, en el agua. Las ballenas se pueden comunicar a través de grandes distancias en el océano produciendo sonidos como el que oiremos al hacer clic en link.....
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/jorobada.wav
Sonidos agudos, sonidos graves:Pero, que son las ondas de sonido? Cuando suena un parlante, por ejemplo, el cono que produce el sonido (que es de papel u otro material de pequeño espesor) se mueve hacia delante y hacia atrás. Cuando va hacia delante, comprime a las moléculas de aire, que se apretujan entre sí. Cuando va hacia atrs, deja mas lugar a las molñeculas, que se separan entre sí. Y el movimiento se repite una y otra vez, muy rápidamente ( para los sonidos que percibimos normalmente, entre unas 60 y 15.000 veces por segundo!). De esa manera se genera una onda longitudinal, que viaja a traves del aire y se va debilitando con la distancia. Cuanto ms lejos estemos del parlante, mas debilmente lo oiremos. Una onda de sonido se representa con una línea que sube en los lugares donde las moleculas del aire se comprimen, se juntan, y baja donde las moleculas se expanden, se separan (como se ve en la figura). Si en el parlante el cono se mueve muy rapidamente, se producir una onda de alta frecuencia y un sonido agudo, mientras que un movimiento mas lento producir una onda de baja frecuencia y por lo tanto un sonido grave. La frecuencia ser entonces la cantidad de "lomos" de la onda que se producen en cada segundo y medimos entonces la frecuencia del sonido en ciclos por segundo o c.p.s.
Podemos ver una excelente imagen en movimiento de una onda longitudinal en el sitio
http://surendranath.tripod.com/Applets/Waves/Lwave01/Lwave01Applet.html (opción onda Progresiva)
All se muestran tambien las ondas que se crean en un tubo abierto en un extremo o en los dos extremos, que vamos a mencionar un poco mas adelante...
Y aqui podemos oir ejemplos de un sonido grave y un sonido agudo:
Sonido grave
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/400hz.wav
sonido agudo
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/2000hz.wav
Los sonidos de la realidad. Los sonidos que nos rodean en la vida diaria estn formados generalmente por una mezcla complicada de distintas frecuencias o sonidos puros. Es posible ver las ondas que corresponden a distintos sonidos usando un osciloscopio, que es un instrumento de laboratorio al cual se puede conectar un micrfono y que muestra esas ondas en una pantalla. Afortunadamente, en Internet podemos encontrar "osciloscopios virtuales" que nos permiten hacer experimentos muy interesantes.
Si disponemos en nuestra computadora de una placa de sonido con parlantes y un micrfono conectado, podremos hacer algunos experimentos luego de bajar el osciloscopio que se ofreca originariamente en http://polly.phys.msu.ru/ El archivo comprimido (.zip) contiene el programa del http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/osc251.zip as como un manual de uso (en ingls). Después de descomprimir el archivo, ejecutamos WINSCOPE.EXE y tendremos el osciloscopio funcionando en una ventana, mientras que el Laboratorio de sonidos puede estar en otra ventana.
Sonido Algunos experimentos:
Una vez que tengamos nuestro osciloscopio instalado en la pantalla, lo ponemos en marcha con el primer cono que aparece en la barra de tareas : debe aparecer un trazo verde en la pantalla del instrumento. Al hablar en el micrfono, deberemos ver las ondas generadas como un trazo complicado (conviene que el cursor Y1 est en la parte media de la escala y el cursor T debajo de todo, pero podemos probar con distintas posiciones). Si todo funciona bien, comenzamos con nuestros experimentos. Probemos por ejemplo:
Silbar frente al microfono (pero no soplarle directamente...). Veremos que se genera una onda como la de los sonidos puros que mencionamos antes. Para saber cual es la frecuencia de esa onda, hacemos clic con el cursor en el icono que presenta varios colores : pasamos al modo frecuencias y veremos una lnea o señal. Si ubicamos el cursor sobre esa seal, veremos que aparece la frecuencia sobre la barra de abajo (por ejemplo F = 1525.1 Hz o sea 1525.1 ciclos por segundo). Al silbar un sonido mas y mas agudo, veremos como la señal se mueve hacia la derecha, a frecuencias cada vez mayores. Haciendo otra vez clic sobre el icono de colores, el osciloscopio vuelve al modo anterior (modo ondas).
Hablar frente al microfono. Veremos que en este caso las ondas son muy complicadas...Pronunciemos las distintas vocales y veremos como cada una de ellas tiene su onda caracteristica. Cuando habla un varon, tendremos una onda con frecuencias relativamente bajas. Y cuando habla una mujer, naturalmente las frecuencias seran mayores.
Pulsar una cuerda de guitarra frente al micrfono. Al pulsar las cuerdas una por vez, veremos que la forma de las ondas es distinta para cada una, y que no son completamente regulares. Cuando vamos al modo frecuencias , comprobaremos que el sonido de cada cuerda esta compuesto por varias frecuencias puras o sonidos puros. Probemos de guardar el sonido para estudiarlo mejor: en el modo frecuencias, hagamos clic sobre el segundo icono de la barra de tareas (pausa) luego de pulsar la cuerda mas aguda. Veremos que aparece una frecuencia principal (señal mas alta) y una serie de frecuencias mas debiles que son multiplos de la principal (por ejemplo, si 300 es la principal, aparecen otras a 600, 900, 1200, etc.). Esas otras frecuencias son los sobretonos de la principal y contribuyen al sonido caracteristico de la guitarra. Pulsemos nuevamente el primer icono para volver al funcionamiento normal.
Generar un sonido con el programa SONI2.EXE, mencionado mas arriba. Es posible usar este programa en otra ventana mientras tenemos el osciloscopio en funcionamiento. Si colocamos el microfono cerca del parlante de la PC, podremos ver las ondas correspondientes a cada sonido. Veremos que esos sonidos a veces no son realmente puros, pues en el modo frecuencias aparecen dos o mas señales.
Estas son unas pocas ideas acerca de los experimentos que pueden hacerse con el osciloscopio, utilizando solo los modos ondas o frecuencias (se pasa de uno al otro con el icono de colores ) y los modos normal o pausa (se pasa de uno al otro con el segundo cono ). El que quiera saber mas sobre este osciloscopio virtual, tendra que leer el manual de instrucciones que lo acompaña...
Los instrumentos musicales.
En los instrumentos musicales se generan ondas de sonido de distintas maneras. Por ejemplo haciendo vibrar un parche, como en un tambor (hacer clic en el link para oir el sonido)...
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/percus.wav
...o haciendo vibrar cuerdas, como ocurre en una guitarra...
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/guitarra.wav
...o en un piano...
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/piano.wav
...o en una flauta...
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/flauta.wav
...o también haciendo vibrar todo un cuerpo sólido, como cuando se golpea una campana...
http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/campana.wav
En una guitarra, por ejemplo, al pulsar una cuerda esta comienza a vibrar. De que manera? Como los extremos estan sujetos y no pueden moverse, la cuerda puede vibrar solo de determinadas maneras o modos. Algunos de esos modos se pueden ver con animacion en el sitio
eligiendo la opcion String fixed at both ends (Cuerda fijada en ambos extremos). Si se modifica la frecuencia, puede verse como la cuerda puede vibrar solo con distintos modos, que difieren en una longitud de onda.
En una flauta u otro instrumento de viento, en cambio, lo que vibra es el aire contenido dentro del tubo que forma el instrumento y la frecuencia depender del largo y dimetro del tubo, de que tenga el extremo abierto o cerrado y de las aberturas que el tubo tenga en toda su longitud. Tambin en este caso puede verse una animacin muy buena de las ondas longitudinales que se generan en un tubo, en el sitio que ya habiamos mencionado
...pero eligiendo ahora las opciones Pipe open at both ends (Tubo abierto en ambos extremos) o Pipe closed at left end (Tubo cerrado en el extremo izquierdo.
Se puede construir rapidamente un pequeño instrumento musical con un sorbete para beber refrescos. En el extremo de uno de esos tubitos de papel o de plastico hacemos dos cortes formando una "V" con una tijera, como muestra la figura. Luego aplastamos el tubito (con los dientes o con algún objeto duro) para que se formen un par de lengüetas, que deberan vibrar cuando soplemos por ese extremo. Quizas haya que probar varias veces hasta que funcione... Cuando logremos que produzca un sonido al soplar, podemos probar de cortar el tubito con una tijera, acortandolo, y oiremos un sonido cada vez ms agudo. Quieren or cmo suena? Hagan clic http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/sorbete.wav
A ver si consiguen lo mismo?!...
Y para descansar un poco después de tanto estudio, hagamos clic en http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/Organo.exe para descargar a nuestra computadora un pequeño programita para producir notas musicales usando el teclado...
El efecto Doppler. Y que es ese efecto? Es un cambio de sonido que todos hemos oido alguna vez, quizas en una carrera de autos o en una autopista. Ese efecto aparece cuando algo que produce un sonido se acerca o se aleja de nosotros rapidamente. Por ejemplo una ambulancia haciendo sonar su sirena. Cuando la sirena se acerca a nosotros, las ondas de sonido se apilan, se amontonan, y entonces oiremos un sonido mas agudo (longitud de onda mas corta). En cambio, cuando la sirena se aleja de nosotros, las ondas se alargan y el sonido se hace mas grave (longitud de onda mas larga). Pero eso no significa que la frecuencia que produce la sirena vaya cambiando; esa frecuencia es siempre la misma pero cambia la velocidad relativa de la sirena con respecto a nosotros. Oigamos como suena la bocina de un auto que pasa delante nuestro a toda velocidad haciendo clic http://pagciencia.quimica.unlp.edu.ar/labsonid_archivos/autodopp.wav
Para entender mejor este efecto, veamos una simulación muy buena en el sitio:
La velocidad del sonido. En los días de tormenta muchas veces vemos caer un rayo y recién luego de algunos segundos oímos el trueno, que es el sonido causado por el rayo. Eso significa que la luz viaja mucho, pero mucho más rápido que el sonido! En el aire la velocidad de la luz es de unos 300.000 kilómetros por segundo, mientras que la velocidad del sonido es algo así como 340 metros por segundo, o sea cerca de un tercio de kilómetro por segundo. Qué diferencia!!!
Pero la velocidad del sonido depende de la sustancia en la cual se propague. En el agua de mar, por ejemplo, la velocidad es de 1500 metros por segundo, mucho mayor que en el aire. Y en el hierro es nada menos que de 5100 metros por segundo...
Podemos medir la velocidad del sonido haciendo algún experimento sencillo? Sí, es posible. Veamos que experimentos se pueden hacer...
- Con luz y sonido... En primer lugar, necesitaremos de alguien que nos ayude. En segundo lugar, necesitaremos algunos cohetes o petardos, como los que se usan en Año Nuevo, además de alguna persona mayor que se haga responsable de que los cohetes se usen de manera segura. En tercer lugar, los experimentadores deben ubicarse en sitios al aire libre y separados por una distancia conocida, que puede estar entre 800 y 1000 metros (medir esa distancia es la parte más difícil, aunque puede hacerse recorriendola con un auto y viendo cuánto marca el cuentakilómetros, siempre que mida fracción de kilómetro...). En cuarto lugar, necesitamos un cronómetro, para medir segundos y fracción de segundo. Lo demás parece fácil, pero hay que practicar: uno de los experimentadores hace estallar un cohete, que siempre produce luz (y que se verá mejor al anochecer) y el otro mide el tiempo transcurrido desde que ve la luz hasta que oye el sonido. Después es cuestión de dividir la distancia por el tiempo, y ya tendremos un valor para la velocidad del sonido.
El mismo experimento puede hacerse con una campana, por ejemplo, como fuente del sonido. Uno de los experimentadores golpea la campana y en ese momento su compañero, que está observando quizás con largavistas, activa el cronómetro y mide el tiempo hasta que oye el sonido...si la campana suena suficientemente fuerte...
También puede usarse el auto con el que se midió la distancia entre los experimentadores: uno de ellos hace sonar la bocina durante una fracción de segundo y simultáneamente enciende las luces durante el mismo tiempo. Su compañero deberá medir el tiempo transcurrido desde que ve la luz hasta que oye la bocina... Conviene remarcar que la bocina deberá ser realmente potente (quizás convenga además levantar el capot del motor) ya que no es fácil oir el sonido a 1 km de distancia...
Estos experimentos deben repetirse varias veces y después calcular un promedio de las medidas, para tener un valor confiable de la velocidad del sonido.