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16.4: Interacciones con Ondas de Sonido

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    objetivos de aprendizaje

    • Identificar las condiciones requeridas para la superposición de dos ondas

    Las ondas se describen más comúnmente por variaciones en algunos parámetros a través del espacio y el tiempo: altura en una ola de agua, presión en una onda de sonido o el campo electromagnético en una onda de luz. El valor de este parámetro se denomina amplitud de la onda; la onda misma es una función que especifica la amplitud en cada punto.

    Cuando dos o más olas llegan al mismo punto, se superponen entre sí. Más específicamente, las perturbaciones de las olas se superponen cuando se juntan (un fenómeno llamado superposición). Cada perturbación corresponde a una fuerza, o amplitud (y las fuerzas se suman). Si las perturbaciones están a lo largo de la misma línea, la onda resultante es una simple adición de las perturbaciones de las ondas individuales. Es decir, se suman sus amplitudes.

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    Superposición: La superposición es cuando dos ondas se suman. En esta cifra, las dos olas se suman y cancelan sin dejar ninguna ola. Esto es una interferencia destructiva.

    La superposición de ondas conduce a lo que se conoce como interferencia, que se manifiesta en dos tipos: constructivo y destructivo. La interferencia constructiva ocurre cuando dos ondas se suman en superposición, creando una onda con amplitud acumulativamente mayor, como se muestra en. En la interferencia destructiva, las dos ondas se suman pero cancelan (como sumar un número positivo y negativo). La interferencia destructiva se muestra en.

    Si bien ocurren interferencias puramente constructivas y destructivas puras, requieren ondas idénticas alineadas con precisión. La superposición de la mayoría de las ondas produce una combinación de interferencia constructiva y destructiva, y puede variar de un lugar a otro y de vez en cuando. El sonido de un estéreo, por ejemplo, puede ser fuerte en un lugar pero tranquilo en otro. Variable sonoridad significa que las ondas sonoras se agregan parcialmente constructivamente y parcialmente destructivamente en diferentes ubicaciones. Un estéreo tiene al menos dos altavoces que crean ondas sonoras, y las ondas pueden reflejarse desde las paredes. Todas estas ondas se superponen. Un ejemplo de sonidos que varían con el tiempo de constructivos a destructivos se encuentra en el gemido combinado de los jets de avión escuchados por un pasajero estacionario. El sonido combinado puede fluctuar hacia arriba y hacia abajo en volumen ya que el sonido de los dos motores varía en el tiempo de constructivo a destructivo.

    Estos ejemplos son de ondas que son similares. ilustra que cuando ondas no idénticas se superponen, el resultado es una mezcla de interferencia constructiva y destructiva.

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    Superposición de Ondas No Idénticas: La superposición de ondas no idénticas exhibe interferencia constructiva y destructiva.

    Interferencia

    La interferencia ocurre cuando múltiples ondas interactúan entre sí, y es un cambio en la amplitud causado por varias ondas que se encuentran.

    objetivos de aprendizaje

    • Contraste interferencia constructiva y destructiva

    A diferencia de los objetos sólidos, dos ondas pueden compartir un punto en el espacio. En física, la interferencia es un fenómeno en el que dos ondas (que pasan por un mismo punto) se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. La interferencia generalmente se refiere a la interacción de ondas que están correlacionadas o coherentes entre sí (es decir, “interfieren” entre sí), ya sea porque provienen de la misma fuente o porque tienen la misma o casi la misma frecuencia.

    Los efectos de interferencia se pueden observar con todo tipo de ondas, por ejemplo, ondas de luz, radio, acústicas y de agua superficial. La idea de que la interferencia es causada por superposición significa que cuando dos ondas se encuentran sus dos amplitudes (su valor absoluto máximo) se combinan juntas.

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    Interferencia: Dos ondas superpuestas exhiben interferencia.

    La interferencia puede ser constructiva o destructiva. En la interferencia constructiva, las dos amplitudes de las olas se suman y dan como resultado un desplazamiento mayor que el que hubiera sido el caso si hubiera una sola onda. Un ejemplo de interferencia constructiva se puede ver en.

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    Interferencia constructiva: La interferencia constructiva pura de dos ondas idénticas produce una con el doble de amplitud, pero la misma longitud de onda.

    La interferencia destructiva es cuando dos ondas se suman y el resultado es un desplazamiento menor de lo que hubiera sido el caso. Un ejemplo de interferencia destructiva se puede ver en. Cuando las ondas tienen amplitudes opuestas en el punto en que se encuentran, pueden interferir destructivamente, resultando en ninguna amplitud en ese punto. Por ejemplo, así es como funcionan los auriculares con cancelación de ruido. Al reproducir un sonido con la amplitud opuesta a la del sonido entrante, las dos ondas sonoras interfieren destructivamente y esto se cancelan entre sí.

    Beats

    La superposición de dos ondas de frecuencias similares pero no idénticas produce una pulsación conocida como latido.

    objetivos de aprendizaje

    • Identificar las condiciones de superposición que llevan a batir

    Golpeando dos teclas adyacentes en un piano produce una combinación de urdimbre (generalmente considerada desagradable para el oído). El culpable es la superposición de dos ondas de frecuencias similares pero no idénticas. Cuando dos ondas de frecuencia similar llegan al mismo punto y se superponen, interfieren alternativamente constructiva y destructivamente. Esta alternancia se conoce como latido porque produce un desagradable sonido pulsante.

    Otro ejemplo es a menudo notable en un avión a reacción en rodaje (particularmente la variedad de dos motores). La sonoridad del sonido combinado de los motores aumenta y disminuye. Este volumen variable se produce porque las ondas sonoras tienen frecuencias similares pero no idénticas. El gorjeo discordante del piano y el volumen fluctuante del ruido del motor a reacción se deben tanto a la interferencia alternativamente constructiva como destructiva a medida que las dos ondas entran y salen de fase. ilustra este fenómeno gráficamente.

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    Frecuencia de Beat: Los latidos se producen por la superposición de dos ondas de frecuencias ligeramente diferentes pero amplitudes idénticas.Las ondas se alternan en el tiempo entre la interferencia constructiva y la interferencia destructiva, dando a la onda resultante una amplitud variable en el tiempo.

    La onda resultante de la superposición de dos ondas de frecuencia similar tiene una frecuencia que es el promedio de las dos. Esta onda fluctúa en amplitud, o latidos, con una frecuencia llamada frecuencia de latido. Podemos determinar la frecuencia de latido matemáticamente sumando dos ondas juntas.

    También se puede medir la frecuencia de latido directamente. Cuando escuchas un latido proveniente de dos sonidos discordantes (digamos, dos notas en un piano) puedes contar el número de latidos por segundo. El número de latidos por segundo, o la frecuencia de latidos, muestra la diferencia de frecuencia entre las dos notas. Los músicos suelen utilizar este fenómeno para asegurarse de que dos notas estén en sintonía (si están afinadas entonces no hay beats).

    La Oreja

    El oído es el órgano sensorial que recoge las ondas sonoras del aire y las convierte en impulsos nerviosos que pueden enviarse al cerebro.

    objetivos de aprendizaje

    • Describir cómo se recogen las ondas sonoras y se transforman en impulsos nerviosos

    Las ondas sonoras son vibraciones en el aire. El oído es el órgano sensorial que recoge las ondas sonoras del aire circundante y las convierte en impulsos nerviosos, que luego se envían al cerebro. Las ondas sonoras llevan mucha información —el idioma, la música y el ruido—, todo mezclado. La tarea del oído es convertir las señales en estas ondas de moléculas de aire que rebotan en señales nerviosas eléctricas mientras se mantiene la mayor cantidad de información en la señal como sea posible. (Es trabajo del cerebro ordenar luego las señales y darles sentido) No es fácil convertir un tipo de señal en otra sin perder información, pero el oído está bien diseñado para la tarea.

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    Anatomía del Oído Humano: Anatomía del oído humano; la longitud del conducto auditivo es exagerada para fines de visualización

    El aire rodea la cabeza y llena el canal auditivo y el oído medio. Por lo tanto, cuando la parte externa del oído recoge el sonido y el oído medio amplifica esta presión sonora, estos procesos ocurren en el medio del aire. Sin embargo, los canales huecos del oído interno (que está incrustado en el hueso temporal, el hueso más denso del cuerpo) están llenos de líquido. Entonces, a medida que el sonido viaja al oído interno, pasa del medio del aire a un medio líquido. Estos canales del oído interno contienen un epitelio sensorial que está tachonado de células ciliadas. Los “pelos” microscópicos son filamentos de proteínas estructurales que se proyectan hacia el fluido. Las células ciliadas liberan un neurotransmisor químico cuando se estimulan. Las ondas sonoras que se mueven a través del fluido empujan los filamentos; si los filamentos se doblan lo suficiente, las células ciliadas activan señales químicas. De esta manera las ondas sonoras se transforman en impulsos nerviosos. Los impulsos nerviosos viajan desde las orejas izquierda y derecha a través del octavo nervio craneal hasta ambos lados del tronco encefálico y hasta la parte de la corteza cerebral dedicada al sonido (corteza auditiva, ubicada en el lóbulo temporal).

    Aplicaciones: Ultrasonido, Sonar e Imágenes Médicas

    Las ondas sonoras reflejan diferentes materiales de manera diferente (cuando se recogen los reflejos, pueden proporcionar información e imágenes).

    objetivos de aprendizaje

    • Discutir la aplicación de las ondas sonoras en medicina y navegación

    El uso controlado de las ondas sonoras tiene muchas aplicaciones en la ciencia. La reflexión controlada de tales ondas permite recibir imágenes.

    Ultrasonido

    El ultrasonido es sonido con una frecuencia superior a 20 kHz. Esto está por encima del rango humano de la audición. El uso más común del ultrasonido, la creación de imágenes, tiene aplicaciones industriales y médicas. El uso del ultrasonido para crear imágenes se basa en la reflexión y transmisión de una onda en un límite. Cuando una onda de ultrasonido viaja dentro de un objeto que se compone de diferentes materiales (como el cuerpo humano), cada vez que se encuentra con un límite (por ejemplo, entre hueso y músculo, o músculo y grasa), parte de la onda se refleja y parte de ella se transmite. Los rayos reflejados son detectados y utilizados para construir una imagen del objeto.

    Sonar

    ilustra cómo un barco en el océano utiliza las propiedades reflectantes de las ondas sonoras para determinar la profundidad del océano. Se transmite una onda sonora y rebota en el fondo marino. Debido a que se conoce la velocidad del sonido y se puede medir el lapso de tiempo entre enviar y recibir el sonido, se puede determinar la distancia desde el barco hasta el fondo del océano. Esta técnica se llama sonar (originalmente un acrónimo de SOUND Navigation And Ranging).

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    Sonar: Los barcos en el océano hacen uso de las propiedades reflectantes de las ondas sonoras para determinar la profundidad del océano. Se transmite una onda sonora y rebota en el fondo marino. Debido a que se conoce la velocidad del sonido y se puede medir el lapso de tiempo entre enviar y recibir el sonido, se puede determinar la distancia desde el barco hasta el fondo del océano.

    Así como los barcos en el océano, ciertos animales, como delfines y murciélagos, hacen uso de las ondas sonoras (sonar) para navegar o encontrar su camino. Las ondas de ultrasonido se envían y luego se reflejan en los objetos que rodean al animal. Los murciélagos o delfines luego usan los sonidos reflejados para formar una “imagen” de su entorno (esto se conoce como ecolocalización).

    Puntos Clave

    • Cuando dos ondas ocupan el mismo punto, se produce la superposición. La superposición da como resultado sumar las dos ondas juntas.
    • La interferencia constructiva es cuando dos ondas se superponen y la onda resultante tiene una amplitud mayor que las ondas anteriores.
    • La interferencia destructiva es cuando dos ondas se superponen y cancelan entre sí, lo que lleva a una menor amplitud.
    • La mayoría de las superposiciones de onda implican una mezcla de interferencia constructiva y destructiva ya que las ondas no son perfectamente idénticas.
    • La interferencia es un fenómeno de interacciones de onda. Cuando dos olas se encuentran en un punto, interfieren entre sí.
    • Hay dos tipos de interferencia, constructiva y destructiva.
    • En la interferencia constructiva, las amplitudes de las dos ondas se suman dando como resultado una onda más alta en el punto en que se encuentran.
    • En la interferencia destructiva, las dos ondas se cancelan dando como resultado una menor amplitud en el punto en que se encuentran.
    • Cuando dos ondas de frecuencias similares interfieren, el resultado es una frecuencia de latido.
    • Una frecuencia de latido es un sonido pulsante que sube y baja en volumen.
    • A medida que las dos ondas entran y salen de fase, la interferencia constructiva y destructiva variable hace que la onda crezca y se encoja en amplitud. Para las ondas sonoras esto produce un sonido de latido.
    • La tarea del oído es convertir las señales en las ondas de moléculas de aire que rebotan en señales nerviosas eléctricas mientras se mantiene la mayor cantidad de información en las señales como sea posible.
    • El sonido se recoge en la parte externa del oído; la presión sonora se amplifica a través de la parte media del oído y se pasa del medio del aire a un medio líquido.
    • Esa presión sonora se amplifica a través de la porción media del oído y se pasa del medio del aire a un medio líquido.
    • Las ondas sonoras que se mueven a través del fluido en el oído interno estimulan las células ciliadas, haciéndolas liberar neurotransmisores químicos. De esta manera las ondas sonoras se transforman en impulsos nerviosos.
    • Cuando las ondas encuentran un límite entre dos materiales, parte de la onda se refleja y parte se transmite.
    • Mediante el uso de ondas sonoras de alta frecuencia, los médicos pueden crear imágenes de partes del cuerpo que normalmente no son visibles.
    • Al transmitir ondas sonoras y medir el tiempo entre la transmisión y la recepción de la reflexión, los barcos pueden usar ondas sonoras para navegar. Esto se llama sonar.

    Términos Clave

    • superponer: Para colocar un objeto sobre otro objeto.
    • desplazamiento: Una cantidad vectorial que denota distancia con un componente direccional.
    • amplitud: El valor absoluto máximo de alguna cantidad que varía.
    • coherente: De ondas que tienen la misma dirección, longitud de onda y fase, que la luz en un láser.
    • frecuencia: El cociente del número de veces n un fenómeno periódico se produce a lo largo del tiempo tt en el que ocurre:\(\mathrm{f=n/t\).
    • interferir: (de ondas) Correlacionarse entre sí cuando se superponen o se superponen.
    • superposición: La suma de dos o más contribuciones de campo ocupando el mismo espacio.
    • epitelio: un tejido membranoso compuesto por una o más capas de células que forma la cobertura de la mayoría de las superficies internas y externas del cuerpo y sus órganos (internamente, el revestimiento de los vasos y otras pequeñas cavidades; externamente, la piel)
    • impulso nervioso: la señal transmitida a lo largo de una fibra nerviosa, ya sea en respuesta a un estímulo (como el tacto, el dolor o el calor), o como una instrucción (como hacer que un músculo se contraiga)
    • neurotransmisor: cualquier sustancia, como acetilcolina o dopamina, responsable de enviar señales nerviosas a través de una sinapsis entre dos neuronas

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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