Repaso de introducción al sonido

Repasa las habilidades y los términos clave relacionados con las ondas de sonido, incluida la forma de identificar nodos y antinodos para ondas estacionarias en tubos.

Términos clave

Término	Significado
Tubo abierto	Tubo que está abierto en ambos extremos. También se llama tubería abierta.
Tubo cerrado	Tubo que está abierto en un extremo y cerrado en el otro. También se llama tubería cerrada.
Resonancia	Otro término las para ondas sonoras estacionarias.

Ondas sonoras estacionarias en tubos abiertos y cerrados

Las ondas sonoras son ondas longitudinales en un medio como el aire. Las moléculas en el medio vibran hacia adelante y hacia atrás desde su posición de equilibrio. Esto conduce a la compresión de las moléculas en algunas partes de la onda, lo que da como resultado variaciones en la presión en un patrón predecible. Por ejemplo, cuando un músico sopla en un tubo como una flauta, el sonido producido proviene de ondas que viajan a lo largo del tubo.

Al igual que otras ondas, la energía de las ondas de sonido aumenta con la amplitud de la onda. La intensidad o volumen del sonido también aumenta con la amplitud de la onda.

En tubos abiertos y cerrados, pueden existir ondas de sonido como ondas estacionarias siempre que exista al menos un nodo.

Tubos abiertos

En un tubo abierto, el medio (por ejemplo, aire) en los extremos abiertos vibra horizontalmente en paralelo a la longitud del tubo. Esto significa que la onda estacionaria tiene antinodos de desplazamiento en los extremos del tubo para todos los armónicos, y un nodo en medio para el fundamental.

La onda estacionaria más simple en un tubo abierto es la fundamental, que tiene

2

antinodos y

1

nodo. Por lo tanto, hay media longitud de onda entre los antinodos. Para un tubo abierto con longitud

L

, la longitud de onda

λ

de la onda estacionaria que corresponde a la frecuencia fundamental es:

\begin{aligned} L & = \frac{λ}{2} \\ λ & = 2 L \end{aligned}

Donde la frecuencia fundamental es:

\begin{aligned} f_{1} & = \frac{v}{λ} \\ f_{1} & = \frac{v}{2 L} \end{aligned}

Las ondas estacionarias con cualquier múltiplo entero de la frecuencia fundamental pueden caber en un tubo abierto.

Otra manera de pensar acerca de las ondas estacionarias en tubos abiertos es, más bien, considerar cómo varía la presión del aire a lo largo del tubo. Para tubos abiertos, la presión del aire en los extremos es igual a la presión atmosférica. Por lo tanto, la presión se mantiene constante en los extremos abiertos y son nodos de presión.

El extremo abierto de un tubo es un nodo de presión así como un antinodo de desplazamiento. Esto es ciertamente confuso. La presión en el extremo abierto de un tubo tiene un valor constante fijo (es decir, un nodo) igual a una atmósfera (suponiendo que el tubo está expuesto al aire cerca de la superficie de la Tierra). Pero el desplazamiento de las moléculas de aire en el extremo abierto del tubo tiene un valor máximo variable (es decir, un antinodo) ya que el aire es libre de moverse en el extremo abierto. En otras palabras, si estás dibujando un diagrama de la presión en el tubo, los extremos abiertos serán nodos. Si está dibujando un diagrama del desplazamiento del aire en el tubo, los extremos abiertos serán antinodos.

Tubos cerrados

En este caso, las moléculas de aire no son libres de vibrar hacia adelante y hacia atrás paralelas al tubo, por lo que la onda estacionaria de desplazamiento tiene un nodo en el extremo cerrado. El extremo abierto del tubo siempre es un antinodo, ya que las moléculas de aire pueden vibrar horizontalmente en paralelo a la longitud del tubo.

En el caso más simple, una onda estacionaria en un tubo cerrado tiene

1

antinodo y

1

nodo. Por lo tanto, existe un cuarto de longitud de onda entre los antinodos. Para un tubo cerrado con una longitud

L

, la onda estacionaria que corresponde a la frecuencia fundamental es:

\begin{aligned} L & = λ / 4 \\ λ & = 4 L \end{aligned}

La frecuencia fundamental es:

\begin{aligned} f_{1} & = \frac{v}{λ} \\ f_{1} & = \frac{v}{4 L} \end{aligned}

En tubos cerrados solo podemos tener armónicos impares. Eso es porque los tubos cerrados por definición tienen un nodo en un extremo y un antinodo en el otro, por lo que no hay forma de que estén presentes las frecuencias pares.

También podemos pensar las ondas estacionarias en tubos cerrados en términos de la presión del aire a lo largo del tubo. En tubos cerrados, la presión del aire en el extremo cerrado varía ya que no necesita igualarse a la presión atmosférica. La presión en el extremo abierto es constante, por lo que la onda de presión tiene un nodo en el extremo abierto y un antinodo en el extremo cerrado.

Errores conceptuales comunes

A veces la gente olvida que las ondas de sonido requieren de un medio. Las ondas sonoras no pueden viajar a través del vacío porque no hay moléculas de aire que vibren y provoquen variaciones de presión.

Aprende más

Para una explicación más profunda de las ondas de sonido, ve nuestros videos:

Para revisar tu comprensión y trabajar hacia el dominio de estos conceptos, revisa nuestros ejercicios:

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