NOMBRE DE LA UNIVERSIDAD: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA LINARES MATERIA: FÍSICA PARA INGENIERÍA NOMBRE DEL ALUMNO: JOSE MANUEL TREVIÑO ESPINO NOMBRE DEL DOCENTE: ING. LAURO FLORES RAMOS ACT. “ACÚSTICA” FECHA DE ENTREGA: 03 - 02 – 2023 1. DESCRIBIR EL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE Y LOS PARÁMETROS DE AMPLITUD, PERIODO, FRECUENCIA Y FASE. Un movimiento armónico simple Es el que describe una partícula sometida a una fuerza restauradora proporcional a su desplazamiento. Se genera entonces un movimiento periódico, es decir que se repite cada cierto intervalo de tiempo. No todos los movimientos periódicos son armónicos. Para que lo sean, la fuerza restauradora debe ser proporcional al desplazamiento. Frecuencia. El número de oscilaciones o vibraciones que se producen en un segundo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Hertzio (Hz). 1 Hz = 1 oscilación / segundo = 1 s1. Periodo El tiempo que tarda en cumplirse una oscilación completa. Es la inversa de la frecuencia T = 1/f . Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo (s). Fase La fase del movimiento en cualquier instante. Se trata del ángulo que representa el estado de vibración del cuerpo en un instante determinado. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el radián (rad). Cuando se produce una oscilación completa, la fase aumenta en 2·π radianes y el cuerpo vuelve a su posición (elongación) x inicial. 2. DESCRIBIR EL COMPORTAMIENTO DE LA ENERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL EN EL MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE Y SUS ECUACIONES. Energía cinética La energía cinética en un movimiento armónico simple en un punto está asociada a la velocidad que el cuerpo tiene en dicho punto. Recuerda que la velocidad en un oscilador armónico es máxima en la posición de equilibrio y 0 en los extremos. La energía cinética Ec en un movimiento armónico simple varía de manera periódica entre un valor mínimo en los extremos y un valor máximo en la posición de equilibrio. Su valor puede venir expresado en función de la elongación x o en función del tiempo t. Donde Ec: Energía cinética. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J) A: Amplitud. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro (m) ω: Frecuencia angular: Su unidad de medida en el sistema internacional es el radián por segundo ( rad/s ) Fase inicial. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el radián (rad) k: Constante del m.a.s. Su unidad de medida en el Sistema internacional es el Newton por metro ( N/m ) Comprobación La energía cinética de un cuerpo viene dada por la expresión: La velocidad en el movimiento armónico simple viene dada en función del tiempo por la expresión: Sustituyendo la segunda en la primera expresión, nos queda: Por otro lado, la velocidad en el movimiento armónico simple viene dada en función de la elongación por la expresión Sustituyendo está en la primera expresión, nos queda: Observa que, implícitamente, hemos considerado la expresión de la elongación x en función del coseno, ya que la velocidad v aparece en función del seno. Es por ello que la expresión de la energía cinética en función del tiempo queda en forma de seno. Si hubiésemos elegido el seno como expresión de la elongación x llegaríamos a una expresión de la energía cinética complementaria, en función del coseno. En cualquiera de los casos, cuando resuelves un problema concreto, los resultados deben ser iguales independientemente de la expresión que elijas: no olvides la fase inicial. Energía potencial La fuerza recuperadora o elástica es una fuerza conservativa. El trabajo realizado por las fuerzas conservativas depende únicamente de los puntos inicial y final, y no del camino elegido. Por ello, las fuerzas conservativas dan lugar a la energía potencial. En este caso se trata de energía potencial elástica, al ser la fuerza responsable la fuerza recuperadora o elástica. La energía potencial Ep en un movimiento armónico simple varía de manera periódica entre un valor mínimo en la posición de equilibrio y un valor máximo en los extremos. Su valor puede venir expresado en función de la elongación x o en función del tiempo t. Donde Ep: Energía potencial. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J) A: Amplitud. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro (m) ω: Frecuencia angular: Su unidad de medida en el sistema internacional es el radián por segundo ( rad/s ) Fase inicial. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el radián (rad) k: Constante del m.a.s. Su unidad de medida en el Sistema internacional es el Newton por metro ( N/m ) El valor máximo de la energía potencial es y el valor mínimo es 0. Comprobación El trabajo que realiza la fuerza recuperadora para ir de un punto inicial A a otro final B viene dado por: Por otro lado, sabemos que la fuerza elástica es una fuerza conservativa. El trabajo realizado por una fuerza conservativa puede expresarse en función de la diferencia de energía potencial: Comparando las dos expresiones anteriores podemos deducir que: Con esto podemos escribir la energía potencial en función de la elongación, esto es, en cualquier punto x como: Por otro lado la elongación en un movimiento armónico simple viene determinada por: Sustituyendo en la expresión de la energía potencial, obtenemos la expresión de la energía potencial en el m.a.s. en función del tiempo: Observa que hemos considerado la expresión de la elongación x en función del coseno. Es por ello que la expresión de la energía potencial en función del tiempo queda en forma de coseno. Si hubiésemos elegido el seno como expresión de la elongación x llegaríamos a una expresión de la energía potencial complementaria, en función del seno. En cualquiera de los casos, cuando resuelves un problema concreto, los resultados deben ser iguales independientemente de la expresión que elijas: no olvides la fase inicial. 3. DESCRIBIR EL MOVIMIENTO ARMÓNICO AMORTIGUADO. La característica esencial de la oscilación amortiguada es que la amplitud de la oscilación disminuye exponencialmente con el tiempo. Por tanto, la energía del oscilador también disminuye. En el espacio de las fases (v-x) vemos que el móvil describe una espiral que converge hacia el origen. Si el amortiguamiento del sistema es grande, pueden darse las situaciones de sistema críticamente amortiguado y sistema sobreamortiguado. En ambos casos, no hay oscilaciones y la partícula se aproxima gradualmente a la posición de equilibrio. El retorno más rápido a la posición de equilibrio se produce en el amortiguamiento crítico. 4. DEFINIR LOS CONCEPTOS DE OSCILACIONES FORZADAS Y RESONANCIA. OSCILADOR FORZADO. Puesto que las oscilaciones disminuyen gradualmente con el tiempo, para mantener un sistema oscilando es necesario suministrar energía al sistema. Cuando hacemos esto llamamos al oscilador 'forzado', como el que se representa en la figura: Para estudiar matemáticamente el oscilador forzado suponemos que está sujeto a la ley de Hooke, que además está amortiguado por un rozamiento en un fluido, y que está sujeto a una fuerza externa restauradora que varía armónicamente con el tiempo: Donde es la frecuencia angular de la fuerza, que en principio es distinta de la frecuencia angular natural del oscilador (si coinciden tenemos el fenómeno de la resonancia, en el que la energía absorbida del oscilador es máxima y llamamos a ). La ecuación diferencial del movimiento es en este caso: No vamos a resolver de manera exacta esta ecuación diferencial, pero sí lo haremos cualitativamente. La solución consta de dos partes. Una de ellas es una solución transitoria que desparece con el tiempo y que no tendremos en cuenta, y otra parte es una solución estacionaria que permanece en el tiempo. La solución estacionaria se puede escribir como: Si la frecuencia externa es igual a la natural del sistema entonces la amplitud es muy grande (no entramos en detalles del valor de la amplitud A ni de la fase ). OSCILACIONES RESONANCIA Fenómeno que se produce en un cuerpo deformable excitado periódicamente, consistente en una notable amplificación de la amplitud de sus oscilaciones. Un sistema elástico, desplazado de su posición de equilibrio, una vez dejado libre, comienza a oscilar con cierta frecuencia, denominada frecuencia natural. Si el sistema no posee amortiguaciones, después de haber comenzado la oscilación, ésta continúa manifestándose con amplitud constante. Si se repite la acción que lo ha desplazado desde la posición de equilibrio después de un período, es decir con frecuencia igual a la frecuencia natural, la oscilación aumenta de amplitud, puesto que la segunda acción se suma a la primera: el efecto, en otras palabras, es superponer a la primera oscilación otra idéntica, que, al producirse al mismo tiempo y de igual manera que la primera, que se está repitiendo, determina una oscilación que resulta de amplitud doble. Repitiendo la acción de desplazamiento una tercera vez, una cuarta, y así sucesivamente, se aumenta desmesuradamente la amplitud de las oscilaciones. Si no intervienen rozamientos (internos al cuerpo, o externos) para amortiguar la vibración, ésta llega a conseguir amplitudes capaces de romper cualquier estructura. En un automóvil pueden presentarse fenómenos de resonancia en muchos órganos: por ejemplo, en el cigüeñal y en el árbol de transmisión, en los muelles de las válvulas y en las suspensiones. 5. DESCRIBIR LAS ONDAS MECÁNICAS Las ondas mecánicas son aquellas que necesitan de un medio material para propagarse. Las características físicas de los medios como son la temperatura, la densidad, viscosidad, elasticidad, etc. Mientras más denso es el medio y más tenso, entonces la rapidez de propagación es mayor. Las ondas mecánicas pueden ser longitudinales como el sonido y las ondas sísmicas P, o pueden ser transversales como las olas del mar, o las ondas sísmicas S. Onda mecánica longitudinal Onda mecánica transversal 6. EXPLICAR EL FUNCIONAMIENTO DE ONDAS VIAJERAS Y SUS ECUACIONES Una onda viajera se define con una función periódica que se desplaza a una velocidad constante sin ninguna restricción. Es común que las ondas viajeras mantengan su amplitud y frecuencia de oscilación constantes. Funciones periódicas que pueden describir a este tipo de comportamiento son las funciones seno y coseno. Ondas Viajeras sinusoidales. La función característica de una onda viajera es la función seno (aunque la función coseno puede utilizarse de manera equivalente), con la cual se describen ondas que se propagan de manera incesante conforme avanza el tiempo: Donde A es la amplitud de la onda es la longitud de onda es la velocidad de propagación. En la siguiente gráfica se muestran los componentes de una onda. La velocidad de propagación corresponde a la velocidad en la que un punto en específico en la función regresa a su condición original conforme la onda avanza. Observe la siguiente figura: Cada gráfica corresponde a la evolución de la onda a diferentes tiempos. Preste atención al círculo hueco que está justo en medio de las gráficas. A t = 0, el círculo está en la posición de equilibrio, mientras que a t = T/4 (T es el periodo) la onda ha avanzado y el punto se encuentra justo en el valor de máxima amplitud. En t = T/2 el círculo se encuentra en la posición de equilibrio nuevamente, no obstante note que la pendiente en ese punto es de signo opuesto a la observada cuando t = 0. Justo cuando t = T el punto blanco se encuentra en una posición completamente equivalente a cuando t = 0. A la velocidad a la cual se completa este ciclo se le denomina velocidad de propagación. La velocidad de propagación se define como. Donde v es la frecuencia de oscilación (para el MAS la denotábamos como f). En el siguiente link puede observarse el desplazamiento de una onda viajera como función del tiempo. Insertando la definición de velocidad de propagación dada por la ecuación 2 dentro de la ecuación 1, tenemos que Recordando que = 2 v (recuerden que v es la frecuencia), definiendo al número de onda k como, Obtenemos finalmente que, Esta es la ecuación característica de una onda viajera y suele describir una cantidad importante de fenómenos físicos. 7. EXPLICAR EL FUNCIONAMIENTO DE ONDAS ESTACIONARIAS. Las ondas estacionarias se producen por la interferencia de dos ondas de la misma naturaleza con iguales características físicas pero que viajan en direcciones opuestas o dicho de otra forma son el resultado de la superposición de una onda incidente y una onda reflejada. Las ondas estacionarias son aquellas ondas en las cuales, ciertos puntos de la onda llamados nodos, permanecen inmóviles. La interferencia y la superposición de las dos ondas viajeras generan la onda estacionaria. Los puntos llamados nodos son aquellos que nunca se mueven y donde la amplitud de la onda estacionaria siempre es cero. A la mitad del camino entre los nodos hay puntos llamados antinodos donde la amplitud de movimiento es máxima para ciertos tiempos. Dos nodos adyacentes están separados una distancia λ/2, lo mismo que dos antinodos adyacentes. 8. CLASIFICAR LAS ONDAS RESPECTO EL RANGO AUDIBLE DE SER HUMANO. El espectro audible varía según cada persona y se altera con la edad por eso es muy importante cuidarlo y no exponerlo a sonidos o ruidos muy fuertes que pueden dañarlo irremediablemente. El espectro audible podemos subdividirlo en función de los tonos: 1. Tonos graves (frecuencias bajas, correspondientes a las 4 primeras octavas, esto es, desde los 16 Hz a los 256 Hz). 2. Tonos medios (frecuencias medias, correspondientes a las octavas quinta, sexta y séptima, esto es, de 256 Hz a 2 kHz). 3. Tonos agudos (frecuencias altas, correspondientes a las tres últimas octavas, esto es, de 2 kHz hasta poco más de 16 kHz). En Occidente se suele dividir el espectro audible en 11 secciones que denominamos octavas. El término de octava se toma de una escala musical. La octava es el intervalo entre dos sonidos que tienen una relación de frecuencias igual a 1:2 y que corresponde a ocho notas de una escala musical diatónica; o trece en una escala cromática. Por ejemplo: si comenzamos con una nota como DO, la octava completa será: DO-RE-MI-FA-SOL-LA-SIDO. Si el primer LA estaba afinado en 440 Hz el segundo LA (octava siguiente) estará en880 Hz. El valor máximo de las frecuencias de cada octava es el doble del de la anterior. 1. La primera y segunda octava (los tonos más graves, 16 - 64 Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona. 2. La tercera y cuarta octava (tonos graves medios, 64 - 250 Hz). 3. La Quinta, Sexta y Séptima octava (tonos medios, 250 Hz–2.000 Hz). Contienen el tono fundamental y los primeros armónicos de la mayoría de las fuentes sonoras. 4. La octava (tonos agudos, 2.000 Hz – 4.096 Hz). Comprende el margen en que eloído humano tiene mayor sensibilidad. 5. La novena y décima octava (tonos agudos de frecuencia alta, 4.097 a 16.000 Hz).Corresponden a un chirrido desagradable y por ello no se utilizan para hacer música. 6. La undécima octava (los tonos más agudos del espectro audible, 16.000 a 20.000Hz). No todas las personas son capaces de percibirlos, depende de la sensibilidad del oído de cada persona. La octava se puede dividir en valores más pequeños, por ejemplo: la media octava (divide cada octava en dos) y el tercio de octava (cada intervalo de la octava se divide en tres partes). 9. DEFINIR LOS SISTEMAS VIBRANTES Y LAS FUENTES DE SONIDO. Vibración Es la variación de un sistema en relación al tiempo, en torno a una posición de equilibrio estable, su característica fundamental es que es periódico. un sistema vibratorio es aquel constituido por elementos que tienen propiedades másicas o de inercia, elásticas y de disipación de energía. Son clasificados en: Sistemas vibratorios libres. Vibraciones libres: son las que se producen al sacar un sistema de su posición de equilibrio y dejarlo oscilar libremente. Sistemas vibratorios forzados. Son los parámetros necesarios para definir de forma unívoca la configuración del sistema vibratorio. Vibraciones forzadas Son aquéllas que se producen por acción de fuerzas dependientes del tiempo. Análisis de vibraciones. Es la principal técnica para supervisar y diagnosticar la maquinaria rotativa e implantar un plan de mantenimiento predictivo. El análisis de vibraciones se para la supervisión y diagnóstico de fallos mecánicos en máquinas rotativas fuentes sonoras. Se denomina fuente sonora al proceso mediante el cual un sonido es manipulado para generar en el oyente la sensación de estar moviéndose en un espacio real. El sonido puede ser producido por distintos tipos de fuentes y procesos. Estos son: 1. Cuerpos en vibración. 2. Cambios en flujos de aire. 3. Fuentes de calor. 10. DESCRIBIR EL FENÓMENO DE LOS BATIMIENTOS. El batimiento es un fenómeno que se genera al superponerse dos ondas sinusoidales con frecuencias ligeramente distintas. La frecuencia de batimiento es igual a la mitad de la diferencia de las frecuencias de las dos ondas. fbat = (f1 - f2) / 2 El batimiento de dos ondas sonoras se percibe como un golpeteo o un vibrato. Un ejemplo familiar de batimiento es el que producen dos cuerdas de guitarra de frecuencias parecidas. Si prestamos atención oiremos un sonido de intensidad muy baja y altura muy grave (casi inaudible). Batimiento Lento. El mínimo de desafinación que un oído humano entrenado puede discriminar es un savart (0,00231 de semitono), que equivale a 4 cents (el cual es una centésima "logarítmica" de semitono, que equivale a 0,00057779). Si con un instrumento ejecutamos una nota la4 (la quinta tecla blanca a la derecha del do central de un piano), que equivale a 440 hercios (Hz) y con otro instrumento de afinación no fija emitimos simultáneamente una nota la muy ligeramente desafinada, por ejemplo de 439 Hz, escucharemos una resultante parecida a una nota la, pero con un desfase que adoptará la forma de un ligero vibrato (variación de la frecuencia del sonido). En este ejemplo, este mínimo calamento ('desafinación hacia el grave') perceptible generaría una nota de 438,98 Hz de frecuencia. fbat = (440,00 Hz - 438,9846 Hz) / 2 = 1,01544 / 2 = 0,5077 Hz Esto significa que cada 1,9695 segundos se escuchará una variación de la intensidad del sonido (un batimiento). Batimiento Rápido. Cuando el batimiento es muy rápido y está por encima de los 20 Hz (inclusive menos), supera el umbral de audición y el cerebro humano lo comienza a percibir como una frecuencia muy grave, cuya frecuencia es correspondiente a la diferencia de las dos ondas que interactúan. Es interesante notar que esa tercera frecuencia (el batimiento propiamente dicho) no es real, ya que no puede ser percibida mediante un osciloscopio) sino que es un falso sonido generado por el propio cerebro. Por eso se dice que el batimiento es un fenómeno psicoacústico. Ejemplo de Batimiento. Las personas que se dedican a la afinación de pianos utilizan el batimiento para lograr que todas las teclas del piano queden templadas de acuerdo con el "temperamento igual". El "temperamento igual" fue diseñado para permitir la ejecución de música en todas las tonalidades con una cantidad de igual de desafinación en cada una, mientras que todavía se aproxima a la "entonación justa" (que no permitía cambiar de tonalidad durante una obra, ya que la cantidad de desafinación en algunos intervalos se volvía desagradablemente evidente). 11. DESCRIBIR EL EFECTO DOPPLER. El efecto Doppler es el fenómeno por el cual la frecuencia de las ondas percibida por un observador varía cuando el foco emisor o el propio observador se desplazan uno respecto al otro. Efecto Doppler La ambulancia de la imagen se desplaza de izquierda a derecha. Cuando se acerca a la chica de la figura que lleva un maletín, en la derecha de la imagen, la onda "se comprime", es decir, la longitud de onda es corta, la frecuencia alta y, por tanto, el tono del sonido percibido será agudo. Por otro lado, cuando la ambulancia se aleja, a la izquierda de la imagen, la onda "se descomprime", es decir, la longitud de onda es larga, la frecuencia baja y, por tanto, el tono que percibe la chica que lleva el bolso será grave. El caso representado en la figura anterior no es el único que puede dar lugar al efecto Doppler. Este se da siempre que encontremos un foco y un observador en movimiento relativo. En el siguiente punto vamos a estudiar el efecto a partir de los distintos casos que pueden darse. Casos El caso general, cuya expresión podrás usar para cualquier ejercicio, es el recogido en el punto Foco en movimiento y observador en movimiento. Sin embargo, antes de llegar a él, te recomendamos que entiendas con claridad los tres casos previos que te presentamos. Foco y observador en reposo En el caso de que tanto el foco como el observador se encuentren en reposo no habrá efecto Doppler, pero lo incluimos aquí para ayudarte a entender más claramente los otros tres que estudiaremos. Observa la siguiente figura: Los círculos concéntricos de la figura representan los frentes de onda emitidos por el altavoz. A la derecha, un observador en reposo, percibirá la misma longitud de onda λ emitida por el foco. La imagen anterior pone de manifiesto que, situés donde situés al observador, él percibirá que los sucesivos frentes de onda están separados una distancia λ unos de otros. Además, recuerda que el radio R de cada frente viene determinado por la velocidad de propagación v, constante (recuerda que por ello podemos relacionar v y el tiempo t transcurrido desde la emisión del frente según R=v·t). La imagen siguiente muestra dos instantes de la propagación. Propagación con foco en reposo El foco, en la posición F, en reposo, perturba en su vibración el ambiente y la superficie de onda originada, S , se propaga, en un periodo T , una distancia λ=v·T , tal y como se pone de manifiesto en la imagen izquierda. En ese instante el foco provoca una segunda perturbación que origina una superficie de onda S' análoga a la anterior S que, al avanzar a su misma velocidad, permanece a una distancia constante λ de la emitida un periodo antes, tal y como se pone de manifiesta en la imagen derecha t=2·T . La frecuencia aparente o frecuencia percibida por un receptor en reposo de ondas aumenta cuando el foco emisor se aproxima al receptor y disminuye cuando se aleja según la expresión: Dónde: f' , f : Frecuencia percibida por el receptor y frecuencia emitida por el foco respectivamente. Dado que el emisor está en movimiento, no coincidirán. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (S.I.) es el hertzio (Hz), que es la unidad inversa del segundo ( 1 Hz = 1 s-1 ) v : Velocidad de propagación de la onda en el medio. Es constante y depende de las características del medio. Se relaciona con la longitud de onda y la frecuencia según v=λ·f. Su unidad de medida en el S.I. es el metro por segundo (m/s) vF : Velocidad del foco. Se supone constante y menor a v. Su unidad de medida en el S.I. es el m/s ∓ : Utilizaremos el signo - si el emisor se acerca al receptor. Utilizaremos el signo + si el emisor se aleja del receptor Comprobación Efectivamente, supongamos ahora que el foco o emisor se encuentre en movimiento, a una velocidad constante vF, menor que la velocidad de propagación v de la onda en el medio. Supongamos también que el observador o receptor está en reposo. Podremos distinguir dos casos generales, según el foco se acerque o se aleje del receptor. Observa la siguiente figura. Foco en movimiento y observador en reposo Frentes de onda generados por un foco en movimiento hacia la derecha. La frecuencia percibida por los receptores R1 y R2 será distinta, y dependerá de si el emisor se acerca o se aleja de ellos. La imagen anterior pone de manifiesto que los sucesivos frentes de onda tienen su centro cada vez más hacia la derecha. De manera intuitiva puedes percatarte que el observador a la derecha de la imagen, al que se acerca la locomotora, percibe dichos frentes de onda "más frecuentemente" que si la locomotora estuviese en reposo (ver Foco y observador en reposo). Dicho de otro modo, al estar separados una distancia λ' menor que el λ original, la frecuencia percibida, que llamaremos f' , será mayor. Por el contrario, si situamos el observador a la izquierda, la locomotora se alejaría de este, y los frentes de onda percibidos serán "menos frecuentes" que si la locomotora estuviese en reposo. Dicho de otro modo, al ser en este caso λ' mayor que el λ original, la frecuencia percibida, f' , será menor. Nos queda averiguar el valor concreto de f' . Para ello nos valdremos de la siguiente ilustración, en la que representamos 3 instantes clave de la propagación: