ELECTROMAGNETISMO

EFECTO DOOPLER

El efecto Doppler, llamado así por el austríaco Christian Andreas Doppler, es el aparente cambio de frecuencia de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador.

Cuando la fuente de ondas y el observador están en movimiento relativo, la frecuencia de las ondas observadas es distinta a la frecuencia de las ondas emitidas.

Los frentes de ondas que emite la fuente son esferas concéntricas, la separación entre las ondas es menor hacia el  lado en el cual el emisor se está moviendo y mayor del lado opuesto. Para el observador, en reposo o en movimiento esto corresponde a una mayor o menor frecuencia.

Si el observador se aproxima a la fuente por la derecha notará una longitud de onda aún menor (o una mayor frecuencia) y lo contrario advertirá si se aleja de la fuente.

La ecuación que relaciona la frecuencia emitida por la fuente y la recibida por el observador es:

 

Si el emisor emite ondas sonoras, el sonido escuchado por el observador situado a la derecha del emisor, será más agudo y el sonido escuchado por el observador situado a la izquierda será más grave.

Si la velocidad de la fuente supera la de las ondas  ocurre el fenómeno siguiente como el que se produce cuando se rompe la barrera del sonido.

CARACTERÍSTICAS DEL SONIDO

Las cuatro cualidades básicas del sonido son la altura, la duración, la intensidad y el timbre o color.

Cualidad	Característica	Rango
Altura o tono	Frecuencia de onda	Agudo, medio, grave
Intensidad	Amplitud de onda	Fuerte, débil o suave
Timbre	Armónicos de onda o forma de la onda. Análogo a la textura	Depende de las características de la fuente emisora del sonido (por analogía: áspero, aterciopelado, metálico, etc)
Duración	Tiempo de vibración	Largo o corto

LA ALTURA O TONO

Cada sonido se caracteriza por su velocidad específica de vibración, que impresiona de manera peculiar al sentido auditivo. Esta propiedad recibe el nombre de tono.

MAYOR FRECUENCIA                                                 MENOR FRECUENCIA
sonido agudo                                                                     sonido grave

La altura o tono es la característica que nos permite diferenciar un sonido agudo de uno grave. La altura viene producida por el número de vibraciones por segundo (frecuencia), así a mayor número de vibraciones por segundo más agudo es el sonido, y a menor número de vibraciones más grave es el sonido. La sucesión de sonidos de diferentes alturas nos da la melodía.

La altura se representa en música mediante las notas musicales: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SI.  La posición de las notas en el pentagrama depende de la clave que se utilice.

 CLAVE DE SOL                                                           CLAVE DE FA

La altura viene determinada por:

    El tamaño: cuanto más grande sea un instrumento más grave será el sonido que produzca, cuanto más pequeño más agudo será el sonido.

    La longitud: cuanto más larga sea una cuerda más grave es el sonido, cuanto más corta más agudo, por eso hay instrumentos que tienen cuerdas de diferente longitud. También cuanto más largo sea el tubo de un instrumento de viento, más grave será su sonido y cuanto más corto más agudo.

    La tensión: cuanto más tensa esté una cuerda, más agudo es el sonido y cuanto menos tensa, más grave.

    La presión: a mayor presión del aire más agudo será el sonido y viceversa.

Otros aspectos a tener en cuenta serán el grosor (de las cuerdas), el diámetro (del tubo), etc.

LA INTENSIDAD

Es la cualidad que nos permite distinguir entre sonidos fuertes o débiles. La podemos definir como la fuerza con la que se produce un sonido. Además de la amplitud en la percepción de la intensidad, influye la distancia a que se encuentra situado el foco sonoro del oyente y la capacidad auditiva de este.

MAYOR AMPLITUD DE ONDA                               MENOR AMPLITUD DE ONDA
sonido fuerte                                                                 sonido suave

La Dinámica es el elemento de la música que mide los cambios de intensidad, se representa mediante unos signos de dinámica que nos indican la intensidad con la que hay que interpretar una obra.

Términos	Abreviatura	Interpretación
Pianissimo	pp	Muy suave
Piano	p	Suave
Mezzopiano	mp	Medio suave
Mezzoforte	mf	Medio fuerte
Forte	f	Fuerte
Fortissimo	ff	Muy fuerte

LA DURACIÓN

Es la característica del sonido que nos permite diferenciar sonidos largos de sonidos cortos. La podemos definir como el tiempo de permanencia de un sonido. La sucesión de sonidos de distinta duración nos da el ritmo.

Sonido largo                                                                  Sonido corto

La duración se representa en música mediante las figuras musicales

Nombre	Figura para el sonido	Figura para el silencio
Redonda
Blanca
Negra
Corchea
Semicorchea
Fusa
Semifusa

EL TIMBRE

Si el tono permite diferenciar unos sonidos de otros por su frecuencia, y la intensidad, los sonidos fuertes de los débiles, el timbre completa las posibilidades de variedades del arte musical desde el punto de vista acústico, porque es la cualidad que permite distinguir los sonidos producidos por los diferentes instrumentos. Esta cualidad físicamente se llama forma de onda.

Los sonidos que escuchamos son complejos, es decir, están compuestos por varias ondas simultáneas, pero que nosotros percibimos como uno. El timbre de los distintos instrumentos se compone de un sonido fundamental, que es el que predomina (siendo su frecuencia la que determina la altura del sonido), más toda una serie de sonidos que se conocen con el nombre de armónicos. 

Sonido fundamental                                                       Sonido complejo

El timbre es la cualidad del sonido que permite distinguir la misma nota producida por dos instrumentos musicales diferentes. A través del timbre somos capaces de diferenciar, dos sonidos de igual frecuencia  (altura o (tono), e intensidad.

El timbre depende del material con que está hecho un instrumento, (no suena igual un tambor de madera que uno de metal o de plástico), de cómo se produce el sonido (soplando, golpeando, etc), de la forma del instrumento, etc.

El timbre se representa en la música indicando al principio del pentagrama, el nombre del instrumento que interpreta la obra.

EL SONIDO

Cuando se pulsa una cuerda de una guitarra en nuestro oído se produce el efecto fisiológico que llamamos sonido, pero ¿cómo se propaga el sonido desde las cuerdas hasta el oído? Para entenderlo, estudiaremos la naturaleza de las ondas sonoras y sus características.

NATURALEZA DEL SONIDO

Cuando golpeas un cuerpo o pulsas un instrumento musical o cuando escuchas una conversación del otro lado de una pared, etc., en tu oído se produce un efecto psicofisiológico denominado sonido.

El sonido es una onda longitudinal y mecánica, es decir, que necesita un medio material para su propagación. Por ejemplo, al golpear una mesa, es posible escuchar el golpe debido a que se hace vibrar la mesa y esas vibraciones se propagan en el aire (medio material) hasta ser captados por el oído.

La vibración de un cuerpo se propaga en el aire, dando lugar a un movimiento longitudinal de las partículas de aire vecinas al foco emisor sonoro, las cuales, al recibir cierta presión, se alejan de su punto de equilibrio provocando una rarefacción en ese sitio y una compresión hacia las partículas más cercanas; así el movimiento de las partículas de aire es paralelo a la dirección de propagación. La siguiente figura muestra las compresiones y rarefacciones del aire durante el paso de una onda sonora.

Al igual que toda onda, el sonido experimenta una reflexión al chocar contra un obstáculo, y produce de esta manera un resultado denominado eco. Este fenómeno se basa en el hecho de que las ondas sonoras pueden reflejarse en superficies rígidas, y regresa a nosotros después de cierto tiempo de emitido el sonido. Este principio es empleado, entre otros, por los murciélagos para su ubicación espacial, y por los barcos que usan sonar (sistema que sirve para detectar objetos en el mar).

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN

El sonido, a diferencia de otras "perturbaciones" que se propagan en medios materiales, lo hace tridimensionalmente, es decir la "perturbación" llega a cualquier punto del espacio.

Por ser una onda mecánica, la rapidez de su propagación   depende   del   medio   de   propagación elástico. La velocidad de propagación de la perturbación, dependerá de la proximidad de las partículas del medio y de sus fuerzas de cohesión. Así, la velocidad de propagación será mucho mayor en los sólidos  que en los líquidos, y sobre todo, que en los gases.

A la presión normal de 1 atm y 20ºC, en un ambiente seco, la velocidad del sonido es de 5600 m/s en el acero, 1460 m/s en el agua y 340 m/s en el aire.

La tabla que se presenta a continuación, nos muestra los diferentes resultados obtenidos en investigaciones hechas acerca de la velocidad del sonido en diferentes medios.

MEDIO	TEMPERATURA (°C)	VELOCIDAD (m/s)
Aire	0	331.7
Aire	15	340
Oxígeno	0	317
Agua	15	1450
Acero	20	5130
Caucho	0	54
Aluminio	0	5100

ONDAS SÍSMICAS

La energía de un terremoto, explosión u otra fuente sísmica se mueve a través de la tierra como un frente de onda que se extiende en todas direcciones.

Hay varios tipos de ondas sísmicas y cada uno se mueve de un modo diferente. Los dos tipos principales son las ondas internas y las ondas superficiales. Las ondas internas pueden viajar a través de las capas interiores de la Tierra, pero las ondas superficiales sólo se pueden mover a lo largo de la superficie del planeta, como ondulaciones sobre el agua.

Ondas internas

Las ondas P (ondas primarias o compresionales) son las ondas sísmicas que más rápidamente se mueven. Lo hacen con un movimiento de empuje y tracción, que provoca que las partículas en la roca se muevan hacia adelante y hacia atrás en su lugar. Cuando la onda se mueve saliéndose del foco, las partículas se mueven acercándose y separándose a lo largo de la dirección en la que se mueve la onda.

Las ondas P pueden moverse a través de sólidos, líquidos o gases. Son muy similares a las ondas sonoras, empujan y jalan la roca casi como las ondas sonoras empujan y jalan el aire. Puedes ver el movimiento de una onda P si estiras un juguete de resorte y empujas un extremo. La energía se moverá a lo largo del resorte, empujando y jalando como una onda P.

Las ondas S (ondas secundarias, de cizalla, laterales o transversales) viajan mucho más lentamente que las ondas P. No se expanden a través de líquidos. Las ondas S hacen que las partículas se muevan de un lado a otro. Su movimiento es perpendicular a la dirección en la que viaja la onda.

Agita el extremo de una cuerda lateralmente y observa cómo la onda viaja a lo largo de la cuerda. Así se ve una onda S.

Ondas superficiales

Las ondas de Love llevan el nombre de A.E. H. Love, un matemático británico que calculó el modelo matemático para este tipo de ondas en 1911. Las ondas de Love se mueven como una serpiente, sacudiendo el terreno de un lado a otro. Aunque viajan lentamente a partir de la fuente sísmica, son muy destructivas y son las que generalmente hacen que los edificios se derrumben durante un terremoto.

Las ondas de Rayleigh se llaman así en honor a Lord Rayleigh (John William Strutt), quien predijo matemáticamente la existencia de este tipo de ondas en 1885. Una onda de Rayleigh se mueve a lo largo del terreno como una ola viaja a través de un lago u océano. Mientras avanza, mueve al terreno tanto de arriba a abajo como de un lado a otro en la misma dirección en la que se mueve la onda. La mayor parte de la sacudida que se siente durante un terremoto se debe a las ondas de Rayleigh.

Aunque las ondas superficiales son por lo general las más destructivas, la mayoría de los geólogos están aún más interesados en las ondas internas. Como éstas viajan a través de la tierra, pueden proporcionar mucha información sobre su estructura. Entre otras cosas, pueden ayudar a los geólogos a localizar capas de roca que podrían contener petróleo, gas y otros minerales valiosos.

ONDAS ESTACIONARIAS

 Las ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmóviles. En este tipo de ondas, las posiciones donde la amplitud es máxima se conocen como antinodos, los cuales se forman en los puntos medios entre dos nodos.

Las ondas estacionarias son producto de la interferencia. Cuando dos ondas de igual amplitud, longitud de onda y velocidad avanzan en sentido opuesto a través de un medio se forman ondas estacionarias. Por ejemplo, si se ata a una pared el extremo de una cuerda y se agita el otro extremo hacia arriba y hacia abajo, las ondas se reflejan en la pared y vuelven en sentido inverso. Si suponemos que la reflexión es perfectamente eficiente, la onda reflejada estará media longitud de onda retrasada con respecto a la onda inicial. Se producirá interferencia entre ambas ondas y el desplazamiento resultante en cualquier punto y momento será la suma de los desplazamientos correspondientes a la onda incidente y la onda reflejada. En los puntos en los que una cresta de la onda incidente coincide con un valle de la reflejada, no existe movimiento; estos puntos se denominan nodos. A mitad de camino entre dos nodos, las dos ondas están en fase, es decir, las crestas coinciden con crestas y los valles con valles; en esos puntos, la amplitud de la onda resultante es dos veces mayor que la de la onda incidente; por tanto, la cuerda queda dividida por los nodos en secciones de una longitud de onda. Entre los nodos (que no avanzan a través de la cuerda), la cuerda vibra transversalmente. 

Se forman ondas estacionarias en las cuerdas de instrumentos musicales que se puntean, se golpean o se tocan con un arco, así como en el aire de un tubo de órgano y en el de una botella de gaseosa cuando soplamos sobre su boca. Se pueden crear ondas estacionarias tanto en las ondas transversales como en las longitudinales.

INTERFERENCIA (ONDA)

Se denomina interferencia a la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias.

La interferencia constructiva ocurre cuando en un punto de un medio interfieren ondas que tienen un desplazamiento en la misma dirección. Las ondas se refuerzan mutuamente cuando se superpone una cresta a otra cresta (o un valle a otro valle). Como en la primera figura de abajo, ambas ondas (la roja y la azul) tienen la forma de una cresta, el medio tiene un desplazamiento hacia arriba que es mayor que el desplazamiento de las dos ondas que interfieren. El desplazamiento del medio es mostrado en color verde.

La interferencia destructiva ocurre cuando en un punto de un medio interfieren ondas que tienen desplazamientos en direcciones opuestas. Las ondas se anulan cuando se superpone una cresta a un valle. Como en la segunda figura de arriba, la onda que tiene la forma de cresta (la roja) tiene un desplazamiento hacia arriba mientras que la onda que tiene la forma de valle (la azul) tiene un desplazamiento hacia abajo, el medio tiene un desplazamiento que es igual a la diferencia de los módulos de los desplazamientos de las dos ondas que interfieren. El desplazamiento del medio es mostrado en color verde.