5.2: Ondas y longitudes de onda

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Rose M. Spielman, William J. Jenkins, Marilyn D. Lovett, et al.
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Objetivos de aprendizaje

Describir las características físicas importantes de las formas de onda
Mostrar cómo las propiedades físicas de las ondas de luz se asocian con la experiencia perceptual
Mostrar cómo las propiedades físicas de las ondas sonoras se asocian con la experiencia perceptual

Los estímulos visuales y auditivos ocurren ambos en forma de ondas. Aunque los dos estímulos son muy diferentes en términos de composición, las formas de onda comparten características similares que son especialmente importantes para nuestras percepciones visuales y auditivas. En esta sección se describen las propiedades físicas de las olas así como las experiencias perceptuales asociadas a ellas.

Amplitud y longitud de onda

Dos características físicas de una onda son la amplitud y la longitud de onda (Figura 5.5). La amplitud de una onda es la distancia desde la línea central hasta el punto superior de la cresta o el punto inferior de la depresión. La longitud de onda se refiere a la longitud de una onda de un pico al siguiente.

Un diagrama ilustra las partes básicas de una onda. Moviéndose de izquierda a derecha, la línea de longitud de onda comienza por encima de una línea horizontal recta y cae y se eleva igualmente por encima y por debajo de esa línea. Una de las áreas donde la línea de longitud de onda alcanza su punto más alto se etiqueta como “Pico”. Un corchete horizontal, etiquetado como “Longitud de onda”, se extiende desde esta área hasta el siguiente pico. Una de las áreas donde la longitud de onda alcanza su punto más bajo se etiqueta como “Comedero”. Un corchete vertical, etiquetado como “Amplitud”, se extiende desde un “Pico” hasta un “Comedero”. — Figura **5.5** La amplitud o altura de una ola se mide desde el pico hasta el valle. La longitud de onda se mide de pico a pico.

La longitud de onda está directamente relacionada con la frecuencia de una forma de onda dada. La frecuencia se refiere al número de ondas que pasan un punto dado en un período de tiempo dado y a menudo se expresa en términos de hercios (Hz), o ciclos por segundo. Las longitudes de onda más largas tendrán frecuencias más bajas, y las longitudes de onda más cortas tendrán frecuencias más altas (Figura 5.6).

Apiladas verticalmente hay 5 ondas de diferentes colores y longitudes de onda. La onda superior es roja con longitudes de onda largas, que indican una baja frecuencia. Al moverse hacia abajo, el color de cada onda es diferente: naranja, amarillo, verde y azul. También moviéndose hacia abajo, las longitudes de onda se acortan a medida que aumentan las frecuencias. — Figura **5.6** Esta figura ilustra ondas de diferentes longitudes de onda/frecuencias. En la parte superior de la figura, la onda roja tiene una longitud de onda larga/frecuencia corta. Moviéndose de arriba a abajo, las longitudes de onda disminuyen y las frecuencias aumentan.

Ondas de Luz

El espectro visible es la porción del espectro electromagnético más grande que podemos ver. Como muestra la Figura 5.7, el espectro electromagnético abarca toda la radiación electromagnética que se produce en nuestro entorno e incluye rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja, microondas y ondas de radio. El espectro visible en humanos está asociado con longitudes de onda que van de 380 a 740 nm, una distancia muy pequeña, ya que un nanómetro (nm) es una billonésima parte de metro. Otras especies pueden detectar otras partes del espectro electromagnético. Por ejemplo, las abejas pueden ver la luz en el rango ultravioleta (Wakakuwa, Stavenga y Arikawa, 2007), y algunas serpientes pueden detectar radiación infrarroja además de señales de luz visuales más tradicionales (Chen, Deng, Brauth, Ding, & Tang, 2012; Hartline, Kass, & Loop, 1978).

Esta ilustración muestra la longitud de onda, frecuencia y tamaño de los objetos a través del espectro electromagnético. En la parte superior, se dan varias longitudes de onda en secuencia de pequeñas a grandes, con una ilustración paralela de una onda con frecuencia creciente. Estas son las longitudes de onda proporcionadas, medidas en metros: “Rayos gamma 10 a la duodécima potencia negativa”, “rayos X 10 a la décima potencia negativa”, ultravioleta 10 a la octava potencia negativa”, “visible .5 veces 10 a la sexta potencia negativa”, “infrarroja 10 a la quinta potencia negativa”, microondas 10 a la negativa segundo poder” y “radio 10 cubos”. Otra sección está etiquetada como “Acerca del tamaño de” y enumera de izquierda a derecha: “Núcleos atómicos”, “Átomos”, “Moléculas”, “Protozoos”, “Señala”, “Abejas”, “Humanos” y “Edificios” con una ilustración de cada uno. En la parte inferior hay una línea etiquetada como “Frecuencia” con las siguientes medidas en hercios: 10 a las potencias de 20, 18, 16, 15, 12, 8 y 4. De izquierda a derecha la línea cambia de color de púrpura a rojo con los colores restantes del espectro visible en el medio. — Figura **5.7** La luz que es visible para los humanos constituye solo una pequeña porción del espectro electromagnético.

En humanos, la longitud de onda de la luz se asocia con la percepción del color (Figura 5.8). Dentro del espectro visible, nuestra experiencia del rojo se asocia con longitudes de onda más largas, los verdes son intermedios y los azules y violetas son más cortos en longitud de onda. (Una manera fácil de recordar esto es el mnemotécnico ROYGBIV: r ed, o range, y ellow, g reen, b lue, i ndigo, v iolet.) La amplitud de las ondas de luz se asocia con nuestra experiencia de brillo o intensidad de color, con amplitudes mayores que aparecen más brillantes.

Una línea proporciona longitud de onda en nanómetros para nanómetros “400”, “500”, “600” y “700”. Dentro de esta línea se encuentran todos los colores del espectro visible. Debajo de esta línea, etiquetadas de izquierda a derecha están “Radiación cósmica”, “Rayos gamma”, “Rayos X”, “Ultravioleta”, luego una pequeña área de llamada para la línea de arriba que contiene los colores en el espectro visual, seguida de “Infrarrojo”, “Radiación de terahercios”, “Radar”, “Radiodifusión de televisión y radio” y “circuitos de CA”. — Figura **5.8** Diferentes longitudes de onda de luz están asociadas con nuestra percepción de diferentes colores. (crédito: modificación de obra de Johannes Ahlmann)

Ondas sonoras

Al igual que las ondas de luz, las propiedades físicas de las ondas sonoras están asociadas con diversos aspectos de nuestra percepción del sonido. La frecuencia de una onda de sonido está asociada con nuestra percepción del tono de ese sonido. Las ondas sonoras de alta frecuencia se perciben como sonidos agudos, mientras que las ondas sonoras de baja frecuencia se perciben como sonidos de tono bajo. El rango audible de frecuencias sonoras está entre 20 y 20000 Hz, con mayor sensibilidad a aquellas frecuencias que caen en el medio de este rango.

Al igual que con el espectro visible, otras especies muestran diferencias en sus rangos audibles. Por ejemplo, los pollos tienen un rango audible muy limitado, de 125 a 2000 Hz. Los ratones tienen un rango audible de 1000 a 91000 Hz, y el rango audible de la ballena beluga es de 1000 a 123000 Hz. Nuestros perros y gatos tienen rangos audibles de aproximadamente 70—45000 Hz y 45—64000 Hz, respectivamente (Strain, 2003).

La sonoridad de un sonido dado está estrechamente asociada con la amplitud de la onda sonora. Amplitudes más altas se asocian con sonidos más fuertes. La sonoridad se mide en términos de decibelios (dB), una unidad logarítmica de intensidad sonora. Una conversación típica se correlacionaría con 60 dB; un concierto de rock podría registrarse a 120 dB (Figura 5.9). Un susurro a 5 pies de distancia o crujir hojas están en el extremo inferior de nuestro rango auditivo; suena como un aire acondicionado de ventana, una conversación normal e incluso el tráfico pesado o una aspiradora están dentro de un rango tolerable. Sin embargo, existe la posibilidad de daños auditivos de aproximadamente 80 dB a 130 dB: Estos son sonidos de un procesador de alimentos, cortadora de césped eléctrica, camión pesado (a 25 pies de distancia), tren subterráneo (a 20 pies de distancia), música rock en vivo y un martillo neumático. Alrededor de un tercio de toda la pérdida auditiva se debe a la exposición al ruido, y cuanto más fuerte es el sonido, más corta es la exposición necesaria para causar daño auditivo (Le, Straatman, Lea, & Westerberg, 2017). Escuchar música a través de auriculares a un volumen máximo (alrededor de 100—105 decibelios) puede causar pérdida auditiva inducida por el ruido después de 15 minutos de exposición. Aunque escuchar música al máximo volumen puede no parecer causar daños, aumenta el riesgo de pérdida auditiva relacionada con la edad (Kujawa & Liberman, 2006). El umbral para el dolor es de aproximadamente 130 dB, un avión de chorro que despega o un revólver disparando a corta distancia (Dunkle, 1982).

Esta ilustración tiene una barra vertical en el medio etiquetada Decibelios (dB) numerados de 0 a 150 en intervalos de abajo a arriba. A la izquierda de la barra, se etiqueta la “intensidad sonora” de diferentes sonidos: “Umbral auditivo” es 0; “Susurro” es 30, “música suave” es 40, “Refrigerador” es 45, “Seguro” y “conversación normal” es 60, “Tráfico urbano pesado” con “daños permanentes después de 8 horas de exposición” es 85, “Motocicleta” con “permanente daño después de 6 horas de exposición” es 95, “Volumen máximo de auriculares” con “daño permanente después de la exposición de 15 miutes” es 105, “Riesgo de pérdida auditiva” es 110, “umbral de dolor” es 130, “dañino” es 140, y “armas de fuego” con “daño permanente inmediato” es 150. A la derecha del bar se encuentran fotografías que representan “sonido común”: A los 20 decibelios hay una imagen de hojas susurrantes; A los 60 hay dos personas hablando, a los 85 es tráfico, a los 105 es auriculares, a los 120 es un concierto de música, y a los 130 son jets. — Figura **5.9** Esta figura ilustra la sonoridad de los sonidos comunes. (crédito “planos”: modificación de obra de Max Pfandl; crédito “multitud”: modificación de obra de Christian Holmér; crédito: “auriculares”: modificación de obra por “Skinny Guy Lover_Flickr”/Flickr; crédito “tráfico”: modificación de obra por “QuinnTheIslander_Pixabay”/Pixabay; crédito “hablando”: modificación de obra por Joi Ito; crédito “deja”: modificación de obra de Aurelijus Valeiša)

Aunque la amplitud de onda generalmente se asocia con la sonoridad, existe cierta interacción entre la frecuencia y la amplitud en nuestra percepción de sonoridad dentro del rango audible. Por ejemplo, una onda de sonido de 10 Hz es inaudible sin importar la amplitud de la onda. Una onda sonora de 1000 Hz, por otro lado, variaría dramáticamente en términos de sonoridad percibida a medida que aumentaba la amplitud de la onda.

Enlace al aprendizaje

Mira este breve video sobre nuestra percepción de frecuencia y amplitud para conocer más.

Por supuesto, diferentes instrumentos musicales pueden tocar la misma nota musical al mismo nivel de sonoridad, sin embargo todavía suenan bastante diferentes. Esto se conoce como el timbre de un sonido. Timbre se refiere a la pureza de un sonido, y se ve afectado por la compleja interacción de frecuencia, amplitud y sincronización de las ondas sonoras.