3.7: Impedancia

Tutorial 3.7: Impedancia: Colisiones con límites

Generalmente, el término impedancia se refiere a la facilidad con la que se transfiere la energía oscilante de una ubicación a otra. Hay muchos tipos de impedancia; las impedancias mecánicas, eléctricas, acústicas y de onda tienen definiciones específicas para su uso en diferentes campos. Aquí investigaremos brevemente la energía mecánica transferida de un medio a otro.

En muchos casos una onda que choca con un límite se reflejará parcialmente y se transmitirá parcialmente. El tipo de onda reflejada y la cantidad de energía transmitida dependen de las propiedades del material a cada lado del límite. Esta animación simula nuevamente una cuerda como una fila de masas individuales conectadas por resortes invisibles. En este caso la masa de la cuerda es diferente a la izquierda en comparación con la derecha.

Impedancia

Preguntas:

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Ejecuta la simulación y describe lo que sucede cuando un pulso pasa de una cadena ligera a una cuerda pesada.

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Haga clic en el botón 'Pesado a Ligero', ejecute la simulación y describa lo que sucede cuando un pulso pasa de una cadena pesada a una cadena ligera.

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

¿En qué caso se invierte el pulso reflejado? A partir de lo que aprendiste sobre reflexiones de límites suaves y duros en la simulación anterior, explica este resultado.

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

¿En qué caso el pulso reflejado es mayor que el pulso transmitido?

Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

¿En qué caso el pulso reflejado es más rápido? Con base en lo que aprendiste sobre cómo las propiedades físicas determinan la velocidad de una ola, explica este resultado.

En esta simulación el cambio de masa de la cuerda afecta la cantidad de energía reflejada y transmitida y las velocidades de las olas. Si la cuerda tuviera la misma masa en ambos lados no habría reflexión. Algo similar sucede cuando dos dispositivos eléctricos están enganchados entre sí y un dispositivo está enviando energía al segundo (por ejemplo, señales que van de un sistema estéreo a un conjunto de altavoces). En este caso la impedancia está determinada por los componentes (resistencias, condensadores, inductores, etc. en los circuitos) y depende de la frecuencia. Si la impedancia eléctrica de los dos dispositivos es diferente, se refleja algo de energía en lugar de transmitirse al segundo dispositivo.

Ejercicio\(\PageIndex{6}\)

Estás comprando un sistema stero y un juego de altavoces. El estéreo tiene una salida imedance de\(10\text{ ohms}\). ¿Qué altavoces de impedancia necesitas comprar para obtener el sonido más fuerte?

Una forma de tratar de igualar impedancias es cambiar gradualmente el medio entre dos valores diferentes. Este es el propósito de la campana en instrumentos de viento de metal y madera. Un instrumento como una trompeta no produciría tanto sonido si terminara abruptamente sin una campana acampanada en el extremo. Esto se debe a que hay un desajuste de impedancia para las ondas dentro del instrumento (donde la presión está restringida por los lados del instrumento) y la presión exterior.

Ejercicio\(\PageIndex{7}\)

¿Por qué las flautas son más suaves que los trombones?

La campana de un instrumento también afecta las frecuencias producidas. Si no hubiera ninguna falta de coincidencia de impedancia, no habría ninguna onda reflejada que regresara al instrumento desde la región de la campana. Esta onda reflejada es necesaria para establecer una onda estacionaria (al igual que la onda estacionaria en una cuerda) en el instrumento para que se produzca un tono dado.

Ejercicio\(\PageIndex{8}\)

En la boquilla de una trompeta la onda se refleja desde una superficie “dura”. En el otro extremo (la campana) la onda se refleja en un límite que va de más rígido (dentro del cuerno) a más suave; un límite “suave”. En base a esto y la simulación 3.2, ¿qué extremo tiene un nodo de dispacement y cuál extremo tiene un antinodo?

Nota

El extremo cerrado en la boquilla no permite el movimiento del aire pero eso significa que hay una gran fluctuación de presión. Por lo que un nodo de desplazamiento de aire ocurre en la misma ubicación que un antinodo de presión y viceversa.