Teorías que explican el comportamiento de la luz

Teoría Corpuscular (Isaac Newton)

Plantea que la luz esta compuesta por partículas que son emitidas por los cuerpos luminosos.

Observaciones:

a) La luz se propaga en linea recta
b) cuando se interpone un obstáculo, se produce la sombra
c) cuando los corpúsculos rebotan sobre una superficie se produce la reflexión.

Lo que no podía explicar:
a) ¿Por que los cuerpos no pierden masa al emitir corpúsculos?
b) ¿Por que algunos corpúsculos se reflejan y otros se refractan?

Teoría Ondulatoria (Christian Huygens)

Plantéa que la luz es una onda que necesita un medio material para propagarse, el que denominó éter.

Observaciones:

a) La masa de los cuerpos que emiten luz no disminuye
b) La propagación rectilinea y la reflexión se pueden explicar como una onda
c) La luz experimenta refracción, que es un fenómeno tipico de las ondas.

Fue Thomas Young (1773-1829) quien pudo observar la difracción e interferencia, fenómenos propios de las ondas y que la teoria no era capaz de explicar.

Lo que no podía explicar:

a) ¿Por que la luz se propaga en el vacío?

Teoría del comportamiento dual

No fue hasta el siglo XX cuando se aceptó que la luz tiene ambos comportamientos, luz y onda, dependiendo del fenómeno observado.

Las ondas se difractan notoriamente mientras más parecida a la longitud de onda es la abertura por donde pasa. Para ver difracción en la luz se debe hacer un orificio muy pequeño, lo que sugiere que su longitud de onda es muy pequeña (micron). Por esta razón no observamos la difracción de la luz cuando entra por la ventana. El sonido en cambio tiene longitudes de onda mucho mayores (cm a m), y por ello se difracta al entrar por la ventana, una puerta, o una ranura cualquiera.

Origen de la Luz

La luz se fabrica al interior de los átomos, en un proceso llamado "emisión cuántica", que consiste en el movimiento de transición de un electrón de un orbital fundamental o de menor energía a otro más externo o de mayor energía. Cuando un electron recibe energía calorica, salta a un nivel superior y cuando deja de recibir energía, el electrón emite una energía equivalente en forma de fotones, cuantos o paquetes de luz (mínima expresión de energía luminosa).

Los fotones no tienen masa y se mueven a una velocidad cercana a 300.000 Km/s.

No todos los fotones tienen igual cantidad de energía, sino que depende del salto cuantico que lo generó. Por ejemplo, un fotón emitido mediante un salto de un orbital 3 a un orbital 1 tiene mas energía que un foton emitido por un salto desde un orbital 2 a un orbital 1.

En 1905, Albert Einstein demostró que la energía del fotón era proporcional a la frecuencia de la onda asociada: E = hf , siendo h, la constante de Planck.

Fuentes luminosas

Fuente primaria: objeto que emite luz propia. Ej. Sol, linterna, pez abisal.

Fuente secundaria: objeto que refleja la luz. Ej. Luna, murallas, nubes, espejo.

Fuente natural: objeto luminoso con su origen en la naturaleza: Ej. Sol, Estrella, Fuego.

Fuente artificial: objeto luminoso con su origen en la invención humana. Ej. Linterna, foco.

Pulsaciones o batimiento

Las pulsaciones se producen cuando dos ondas armónicas de frecuencias similares se superponen. La resultante de esta superposición es una onda cuya amplitud varía, alcanzando valores máximos y mínimos de vibración, lo que se percibe como fluctuaciones alternadas de la intensidad del sonido.

Las pulsaciones se producen por el desfase contínuo de ambas ondas a medida que transcurre el tiempo.

Interferencia de sonidos

Interferencia: Cuando dos ondas de igual frecuencia y en igualdad de fase se superponen en un medio, se produce una alternancia de máximos y mínimos de amplitud de vibración.

En un concierto es muy dificil distinguir el sonido de cada instrumento por separado. Esto se debe a la interferencia que hace que escuchemos solo las ondas resultantes. Cuando se produce interferencia, la amplitud de vibración varía con la posición: hay zonas donde la amplitud de la vibración es máxima (zonas de interferencia constructiva) y otras zonas donde es mínima (zonas de interferencia destructiva). Cuando se produce interferencia, el sonido alcanza su máxima intensidad en las zonas de interferencia constructiva, mientras que en las zonas de interferencia destructiva simplemente hay silencio.

En la foto, dos ondas en fases distintas que chocan, se anulan y luego siguen su camino. Si las ondas fueran sonido, al anularse dos sonidos se produciría un silencio.

Timbre

El timbre es la característica de un sonido que nos permite diferenciar un sonido de las mismas características emitido por dos instrumentos distintos. Se suele entender el timbre como la textura de un sonido como se observa en la foto. Un LA de piano es claramente diferenciable de un LA de flauta.

El timbre de un sonido se produce porque dos sonidos con el mismo tono, la misma intensidad y la misma frecuencia tienen una composición armónica diferente, es decir, la composición armónica de un sonido corresponde a la onda resultante de la superposición de su frecuencia fundamental con la de los armónicos.

Algunos factores que influyen en el timbre de un sonido se relacionan con las características fisicas del cuerpo que los emite. Ej. proceso de construcción de un instrumento musical, material utilizado, tamaño, forma y diseño.

Modos de vibración

Se denomina modo de vibración de una cuerda a las diversas formas en que ella puede vibrar, generando ondas estacionarias. En cada modo de vibración, la cuerda adopta una forma específica y emite un sonido característico dado por la frecuencia con que vibra.

La frecuencia minima de vibración capaz de generar una onda estacionaria se llama frecuencia fundamental (f0) o (n=1). Cuando la cuerda vibra con dicha frecuencia se dice que se ha establecido su modo fundamental de vibración.

La frecuencia de los demás modos de vibración son multiplos enteros de la frecuencia fundamental y de denominan armónicos (n=2, 3, 4, 5...). La frecuencia de los armónicos se obtiene según:

fn = n* f0; siendo fn la frecuencia de vibración, n = 1,2,3...., f0 es la frecuencia fundamental.

En estas ondas estacionarias hay una relación entre longitud de la cuerda y la longitud de onda:

lambda = 2 * (L/n); siendo L la longitud de la cuerda.

Superposición de ondas

Superposición: Cuando dos ondas se propagan en el mismo medio, en la misma dirección o contraria, se superponen, es decir, las ondas individuales se suman produciendo una onda resultante. La elongación en cada punto corresponde a la suma algebraica de las amplitudes de cada una de las ondas por separado. Cuando se produce la superposición de als ondas, estas siguen avanzando después del encuentro conservando sus propiedades (Amplitud, frecuencia, longitud de onda, velocidad).
Al pulsar una cuerda fija en ambos extremos se produce una onda que avanza y se refleja en los extremos fijos, superponiendose ambas ondas.

Onda estacionaria
En una cuerda vibrante, la onda resultante de la superposición de la onda incidente y reflejada es una onda estacionaria. En una onda estacionaria, es posible distinguir ciertos puntos llamados Nodos y Antinodos. Los nodos son los puntos de la cuerda que permanecen en reposo sin vibrar, mientras que los antinodos son los puntos de la cuerda que vibran con la máxima amplitud.

La onda estacionaria formada en una cuerda vibrante tiene una cantidad de nodos y antinodos característica que varía dependiendo de la tensión y de la longitud de la cuerda. Mientras más grave es el sonido menor es la cantidad de nodos y de antinodos.

Vibración de una cuerda y notas musicales

El tono del sonido emitido por una cuerda vibrante depende de:
a) la longitud de la cuerda
b) de su tensión
c) la densidad lineal de masa

El sonido emitido es más agudo mientras menor es la longitud de la cuerda y mientras mayor es la tensión de la cuerda. Otro factor es la densidad lineal de masa, es decir a la cantidad de masa por unidad de longitud y en el sistema MKS se expresa como kg/m. Ejemplo: una cuerda de 2m de largo y de 500 g de masa tiene menor densidad lineal de masa que una cuerda de 50 cm de largo y 200 g de masa. En general, las cuerdas de menor densidad lineal de masa vibran con mayor frecuencia que las cuerdas de mayor densidad de masa, manteniendo la tensión constante.
Una aplicación de esto son las distintas notas musicales que corresponden a ondas de frecuencias distintas:
DO: 261,63 Hz; RE: 293,66 Hz; MI: 329,63 Hz; FA: 349,23 Hz; SOL: 392,0 Hz; LA:440,0 Hz
SI: 493,88 Hz; DO: 523,25 Hz.

Efecto Doppler

El efecto Doppler se produce cuando un centro emisor se mueve rápido en el espacio y el receptor percibe un cambio en la frecuencia de la onda que genera el sonido. Este cambio de frecuencia se traduce en un cambio de tono del sonido. Es importante recalcar que el cambio de frecuencia percibido es solo aparente.
En la foto se observa que el receptor A percibe un sonido más grave (menor frecuencia), mientras que el receptor B percibe un sonido más agudo (mayor frecuencia).

Difracción del sonido

Cuando una onda viajera se encuentra en su recorrido un obstáculo que limita parcialmente su propagación, puede rodear el obstaculo y seguir propagandose. Los bordes de los obstaculos se convierten en centros emisores. Por esta razón una persona que habla en una habitación es escuchada por otra persona que está en la habitación contigua.

Refracción del sonido

Si una onda viajera como el sonido o la luz, se encuentra en su camino con un medio material de diferente densidad, pero que le permita seguir propagandose, experimenta el fenomeno de la refracción que consiste en el cambio de rapidez de propagación, y en algunos casos cuando el frente de onda incidente forma un ángulo distinto de cero con la normal (linea perpendicular a la supeficie), ocurre un cambio de dirección de la onda.

La frecuencia de onda se mantiene constante durante la refracción. Al aumentar la velocidad aumenta su longitud de onda y al disminuir su velocidad disminuye la longitud de onda.

Cuando una onda incidente choca con una superficie, puede producirse simultáneamente una refracción y una reflexión. Cuando ocurre esto, la energía de la onda incidente es igual a la suma de la energía de la onda reflejada y de la onda refractada.

Reflexión del sonido

Es el rebote de una onda de sonido en una superficie dura. El sonido que llega al obstáculo se llama sonido incidente y el sonido que se devuelve es el sonido reflejado. Cuando un sonido se refleja, generalmente cambia de dirección en que se propaga y pierde una cantidad de energía.

Si un sonido se refleja varias veces y no pueden ser distinguidos por separado, el fenomeno es llamado reverberación.

La reflexión varía según la naturaleza del material reflectante. El concreto refleja muy bien el sonido, sin embargo, las cortinas (material blando y de baja densidad) absorben parte del sonido y reflejan una pequeña fracción.

La reflexión del sonido se usa en los sonares de los barcos, las ecografias, los escenarios de teatro, etc.

Transmisión del sonido: escuchando música

El sonido se transmite a través de un medio material, mediante la vibración de las moléculas del medio por donde viaja. Lo que se transmite en el sonido es la energía y no la materia.
El sonido se transmite mejor a través de un medio sólido porque sus partículas estan más juntas, como un fierro o una madera. Mientras mayor es la frecuencia del sonido, menor es el grado de eficiencia con que es transmitido.
El sonido se transmite mas lento a través de un gas (aire) porque sus partículas estan más separadas.

La propagación depende de algunos factores:

a) elasticidad: capacidad de un medio material para recuperar su forma inicial. A moyor elasticidad, mayor es la rapidez con que se transmite el sonido por él.

b) Densidad: se define como la masa en la unidad de volumen. El sonido es transmitido con mayor rapidez en cuerpos más densos (sólidos).

c) Temperatura: A mayor temperatura, mayor rapidez en la transmisión del sonido. En el caso del aire existe la relación V = (331 + 0.6t) m/s

Aire (15ºC).............340 m/s
Agua (15ºC)........... 1450 m/s
Plomo (20ºC)........ 1230 m/s
Cobre (20ºC)........ 3560 m/s
Aluminio (20ºC)... 5100 m/s
Hierro (20ºC)....... 5130 m/s

Decibeles

La unidad más conocida para medir la intensidad de un sonido es el decibel (db), que deriva del inventor Alexander Graham Bell (1847-1922). esta escala es comprimida debido a que el rango de percepcion de sonido por los humanos es muy amplio. Una escala de 20db es 100 veces más intenso que una de 10db, y uno de 30db es 1.000 veces más intenso que uno de 10db.

La intensidad del sonido se mide con un sonometro.

Intensidad de algunos sonidos:
Respiración.....................10 db
Murmullo....................... 20 db
Biblioteca........................ 40 db
Conversación normal.....60 db
Concieto de Rock............110 db
Despegue de avión......... 120 db

Intensidad del sonido: Gritando Gooool

La intensidad es conocida también como "Volumen". La intensidad de un sonido depende de la energía que transporta y se relaciona con la amplitud de la vibración que lo genera.
Sonidos fuertes o intensos se asocian con vibraciones de gran amplitud; mientras que los sonidos débiles se asocian con vibraciones de pequeña amplitud.

Tono de un sonido

El que un sonido sea mas grave o más agudo depende de la frecuencia de vibración de ese sonido.
La característica de agudo o grave de un sonido se llama "Tono" o "Altura".

Un sonido de tono grave o bajo es producido por una vibración de baja frecuencia; en cambio un sonido de tono agudo o alto es producido por una vibración de alta frecuencia. Los sonidos graves se transmiten con mayor eficiencia que los agudos, pues, los agudos se disipan rápidamente con la distancia.

Ley cuadratica inversa de propagación

Mientras la radiación electromagnética va dejando su fuente, se va esparciendo, viajando en lineas rectas, como si fuera cubriendo la superficie de una esfera de expansión continua. Esta área se incrementa proporcionalmente al cuadrado de la distancia en que la radiación ha viajado. En otras palabras, el área de esta esfera en expansión es calculada en 4πR², donde R es la distancia que la radiación ha viajado, eso es, el radio de la esfera en expansión. La relación es conocida como la Ley Cuadrática Inversa de propagación (electromagnética); que va perdiendo la fuerza de su señal a través del espacio, llamado perdida de espacio. Por ejemplo, Saturno está aproximadamente 10 veces más lejos que el Sol en relación a la Tierra. (La distancia Tierra-Sol es definida como una unidad astronómica UA. Al momento en que la radiación del Sol alcanza Saturno, ya se habrá esparcido 100 veces el área que cubre en una Unidad Astronómica. Por tanto, Saturno sólo recibe 1/100 veces el flujo de energía solar (eso es, energía por unidad de área) que recibe la Tierra.

Clasificación de las ondas

Las ondas se clasifican segun distintos criterios como:
a) el tipo de perturbación
b) la dirección de vibración
c) el sentido de propagación

a) Naturaleza de la perturbación:
a1. Las ondas mecánicas: son perturbaciones materiales o mecánicas como un golpe, una ruptura o una vibración. Su característica principal es que para propagarse necesitan de un medio material que puede ser un sólido, un liquido o un gas
Ejemplo: una onda sísmica necesita un medio sólido (tierra) para propagarse. El sonido también se propaga, pero su medio normal es el gaseoso (aire)

a2. Ondas electromagnéticas: las perturbaciones son de origen eléctrico y magnético. Las antenas emisoras de radio y televisión son de este tipo. La principal característica de este tipo de onda es que se propagan en el vacío, pero también lo pueden hacer en un medio material.
Ejemplo: la luz visible (en la foto), los rayos X y microondas.

b) Dirección de la vibración:
b1. Las ondas transversales: las partículas se mueven ciclicamente de arriba a abajo. La dirección en que vibran las moléculas del medio material por el que se propaga es perpendicular a la dirección en que se propaga la onda.
Ejemplo: ondas superficiales en el agua, cuerda de guitarra.

b2. Ondas longitudinales: Estas hacen vibrar a las moléculas del medio en la misma dirección en que se propagan . Ejemplo: sonido emitido por platillos de una batería. Estas perturbaciones hacen que las moleculas de aire oscilen en la misma dirección en que se propaga el sónido.

c) Sentido de propagación:
c1. Ondas viajeras: la onda se propaga partiendo de una fuente y recorre grandes distancias. Ejemplo una onda de radio.

c2. Ondas estacionarias: se forman cuando una onda viajera se refleja invertida respecto de la onda incidente, en un extremo de un medio dado. En este caso ambas ondas se superponen, originando una onda que pareciera estar fija. Ejemplo: una cuerda de guitarra, flautas, el flameo de una bandera.
Las ondas estacionarias no se propagan libremente sino que están confinadas en una región del espacio.

c3. Ondas armónicas: Los pulsos que producen la vibración se suceden con un período fijo, es decir, están espaciadas con igual intervalo de tiempo. A este tipo de ondas se le denominaba periodicas.

Una Onda

Al golpear nuestras manos en una habitación generamos una única perturbación o pulso, pero si aplaudimos reiteradas veces, a eso le llamamos una Onda.

Cuando una sucesión de pulsos se generan a intervalos iguales de tiempo, la onda resultante será una onda periodica.

Una Onda es un fenómeno físico mediante el cual una perturbación se propaga desde el foco hacia otras regiones del espacio. Es importante destacar que las ondas propagan sólo energía desde un lugar a otro, no materia.

Característica de una onda periódica:
a) Amplitud: Es la distancia desde el eje de propagación hasta el máximo de altura que alcanzan las partículas en el medio de su vibración. A mayor amplitud de la onda, mayor es la energía que propaga.

b) Longitud de onda: Es la distancia que recorre la onda en un periodo.

c) Período: Es el tiempo que emplea la onda en completar un ciclo. El período de la onda corresponde al período de vibración de cada una de las moléculas del medio.

d) Frecuencia: Es la cantidad de pulsos que un emisor genera en el foco en una determinada unidad de tiempo. Su unidad de medida es (s-1), (1/s), (ciclos/s), (vibraciones/s), o Hertz (Hz).

El sónido es una vibración y se representa como una Onda

Todos los sónidos son producidos por la vibración de algún cuerpo o medio material, como un sólido, un líquido o un gas.

Un modelo que representa el sónido es un ciclo de compresión y descompresión (rarefacción) del aire que viaja una cierta distancia y que puede imaginarse con el concepto de onda.

Se llama Ciclo al recorrido completo u oscilación que realizan algunos cuerpos en torno a algo, es decir, desde una posición inicial hasta que retornan al mismo punto. Una onda también representa un ciclo de movimiento.

Las vibraciones u oscilaciones que generan sonidos pueden ocurrir en diferentes medios. Existen vibraciones en láminas, en cuerdas y en cavidades. La propagación de una vibración dependía del medio, ya que al vibrar también podía transmitir a distancia la onda.