¿Qué es el sonido? – Definición y factores que afectan la velocidad del sonido

Publicado el 8 septiembre, 2020

La naturaleza de las ondas sonoras

¿Eres una de esas personas a las que les gusta gritar ‘¡Echo!’ cada vez que estás dentro de un edificio cavernoso? Creo que es divertido experimentar con ecos. A muchas personas les gusta gritar cuando están parados debajo de un puente, dentro de un estacionamiento o en el fondo de un cañón.

Sabemos que los ecos son simplemente el reflejo del sonido de las paredes rígidas de los edificios y formaciones naturales. Pero, ¿qué nos pueden decir los ecos sobre las ondas sonoras? ¿Podemos aprender cómo viaja el sonido de un lugar a otro estudiando el fenómeno del eco?

Antes de entrar en eso, repasemos qué es una onda de sonido. Ya hemos aprendido que las ondas sonoras son ondas longitudinales . Es decir, las partículas del medio vibran en una dirección paralela al movimiento de la onda. Las ondas longitudinales son más difíciles de visualizar que las ondas transversales. Así que usemos el sonido de una cuerda de guitarra como ejemplo.

La médium

Cuando tocas una cuerda de guitarra, comienza a vibrar de lado a lado. Así es como se vería en cámara lenta. Supongamos que estas son las partículas de aire que se distribuyen uniformemente alrededor de la guitarra y en cualquier otro lugar. Cuando la cuerda se mueve hacia la derecha, así, empuja las partículas de aire y las hace presionar juntas. A esto se le llama compresión.


Las partículas de aire que se presionan juntas se llama compresión.
Partículas de aire comprimidas

Cuando la cuerda se mueve hacia la izquierda, así, crea un espacio en las partículas de aire y se separan más. Esto se llama rarefacción. Probablemente recuerde que las compresiones y rarefacciones son el equivalente a crestas y valles de una onda longitudinal. Estas áreas de presión de aire más alta y más baja viajan hacia afuera, alejándose de la cuerda. En otras palabras, la onda de sonido viaja hacia afuera desde la guitarra. Sin embargo, las propias partículas de aire no viajan. Simplemente oscilan hacia adelante y hacia atrás, en una dirección paralela al movimiento de la onda de sonido.

En este ejemplo, el aire que rodea la guitarra se llama medio , porque es el material que transporta el sonido. Cuando se habla de ondas, un medio es la sustancia que transporta una onda de un lugar a otro. El medio de las ondas sonoras suele ser el aire. Pero el sonido también puede viajar a través de líquidos y sólidos.


El aire es un medio por el que pueden viajar las ondas sonoras.
Ondas de sonido de aire medio

Si estás hablando de ondas sonoras que viajan entre dos ballenas cantando en el océano, entonces el medio es agua de mar. Si está hablando de la música de su vecino que viaja a través de las paredes de su casa, entonces el medio es la madera y los paneles de yeso. No importa cuál sea el medio, las ondas sonoras pueden viajar a través de él debido a que las partículas interactúan entre sí. Las compresiones y rarefacciones ocurren dentro de las partículas de agua de mar, madera o paneles de yeso, tal como sucedió en el aire fuera de nuestra cuerda de guitarra.

Una vez que las primeras partículas son empujadas por las vibraciones de la fuente de sonido, luego pasan este empuje a las siguientes partículas, que lo pasan a la siguiente, y así sucesivamente. Por lo tanto, la onda viaja a través del medio como resultado de las partículas que chocan entre sí. Las interacciones entre partículas en el medio hacen que la onda de sonido viaje a través del medio.

Entonces, si las ondas sonoras viajan debido a las partículas en el medio, ¿qué sucede con el sonido si no hay medio? Bueno, lo adivinaste. Sin medio, no hay sonido. Las ondas sonoras requieren un medio en el que viajar de un lugar a otro.

Piense en un lugar donde no hay absolutamente nada de aire, como la superficie de la luna. Si estuvieras parado en la luna y tu amigo estuviera a diez pies de ti, podrías gritar y gritar y aplaudir, y tu amigo no oiría nada. La luna no tiene atmósfera; está en el gran vacío del espacio exterior. Por lo tanto, no importa cuánto ruido haga, su sonido no se transmitirá a ninguna parte, porque no hay un medio para transportarlo.

La velocidad del sonido

Volvamos a los diferentes medios por los que puede viajar el sonido. Dijimos que las ondas sonoras viajan a través de sólidos, líquidos y gases. Pueden viajar a través de todos los estados de la materia . Pero, ¿viajan las ondas de la misma manera a través de cada una de estas sustancias diferentes?


La cercanía de las partículas entre sí afecta la fuerza de su interacción.
Partículas de materia diferente

Sabemos que un sólido tiene sus partículas muy juntas. Las partículas líquidas están más sueltas y las partículas de un gas están bastante separadas. La distancia entre las partículas afecta la intensidad de las interacciones entre ellas. Esto, a su vez, afecta la rapidez con que transfieren la energía de la ola. Cuanto más fuertes son las interacciones de las partículas, más rápidamente se transfiere la onda. Entonces, en general, el sonido viaja más rápido en sólidos que en líquidos y más rápido en líquidos que en gas.

La temperatura en realidad aumenta la velocidad del sonido, porque las partículas más calientes generalmente se mueven a un ritmo más rápido. Los científicos han obtenido una fórmula especial para encontrar la velocidad del sonido en aire seco. Funciona para la mayoría de las temperaturas que se encuentran en la Tierra. La fórmula es v = 331 + (0.61) T , donde v es la velocidad del sonido y T es la temperatura.

Para esta fórmula, la velocidad debe medirse en metros por segundo y la temperatura en grados Celsius. Puede ver por esta fórmula que un aumento en la temperatura, o T , causaría un aumento en la velocidad, o v . Si la temperatura fuera de 20 ° C, entonces la velocidad del sonido en el aire seco sería de unos 343 metros por segundo. Si la temperatura subiera a 30 ° C, entonces la velocidad aumentaría a 349 metros por segundo.


La ecuación para calcular la velocidad del sonido en aire seco.
Ecuación de velocidad de aire seco sano

Velocidad y ecuación de onda

No olvide que la velocidad del sonido tiene mucho que ver con lo que sucede con la onda sonora. Una onda es una perturbación que viaja a través de un medio. Cuando medimos la velocidad del sonido, lo que realmente estamos encontrando es qué tan rápido pasa una perturbación entre partículas, o la distancia que viaja una perturbación por unidad de tiempo.

Acabamos de ver una fórmula para encontrar la velocidad del sonido, pero la mayoría de las fórmulas para la velocidad del sonido son mucho más complicadas. Hay tantos factores que pueden cambiar la velocidad del sonido, no hay una fórmula que los explique todos. Pero cuando se trata de la velocidad de las olas, todo lo que realmente busca es la distancia por unidad de tiempo, ¿verdad? Entonces me pregunto si podemos encontrar la velocidad de una onda de sonido basándonos en los otros parámetros de onda.

¿Recuerda esta fórmula: v = lambda * f ? En realidad, se llama ecuación de onda . Afirma que puedes encontrar la velocidad de una onda multiplicando la longitud de onda por la frecuencia. También puede reorganizar esto para encontrar la velocidad dividiendo la longitud de onda por el período porque el período es el recíproco de la frecuencia.

Digamos que la longitud de onda de una onda de sonido fue de 34 metros y tardó exactamente una décima de segundo en pasar. La longitud de onda sería 34 y el período sería 0,1. Entonces, la velocidad de esta ola sería de 340 metros por segundo.

Probémoslo usando frecuencia. Digamos que la frecuencia de una onda sonora es 500 Hertz ; es decir, 500 ciclos de onda por segundo y la longitud de onda es de 0,7 metros. Para encontrar la velocidad, multiplicaría estos dos y obtendría 350 metros por segundo …


Puedes calcular la velocidad de una onda multiplicando la longitud de onda por la frecuencia.
Ecuación de onda

Entonces, ¿crees que esta ecuación de onda puede ayudarnos a aprender algo sobre los ecos? Si alguna vez ha estado dentro de un cañón de paredes muy empinadas, sabrá que el sonido puede rebotar entre las paredes de piedra. Si grita, escuchará que le devuelven la llamada en cuestión de segundos. Si pudiera medir exactamente cuántos segundos tomó su eco, ¿podría encontrar la velocidad del sonido dentro del cañón? Vamos a intentarlo.

Estás parado en un cañón, frente a una pared vertical a 519 metros de distancia. Dejas escapar un grito y vuelve a ti en exactamente 3 segundos. ¿Cuál es la velocidad del sonido en este caso? Bueno, ya sabes el tiempo que tomó, por lo que el período es de 3 segundos. La distancia que recorrió la ola fue de 519; no, ¡fue de 1038 metros! Tienes que duplicar la distancia porque la ola viajó hasta la pared del cañón y regresó a ti. Entonces, si la velocidad es metros por segundo, entonces 1038 metros divididos por 3 segundos son 346 metros por segundo, y eso suena como una velocidad razonable para una onda de sonido.

Resumen de la lección

Las ondas sonoras son ondas longitudinales que viajan por compresiones y rarefacciones en el aire, el agua u otros medios. El sonido requiere un medio para viajar; por tanto, no puede viajar en el vacío. Las ondas sonoras viajan más rápido a través de sólidos que líquidos y más rápido a través de líquidos que gas. La velocidad de las ondas sonoras aumenta con temperaturas más altas, pero disminuye con densidades más altas.

Una forma sencilla de encontrar la velocidad de una onda de sonido es usar la ecuación de onda, donde la velocidad se deriva de la longitud de onda y la frecuencia o período. La velocidad del sonido también se puede encontrar cronometrando un eco desde una distancia conocida. Si bien muchos factores afectan la rapidez con que viaja una onda de sonido, la velocidad del sonido realmente se reduce a cómo interactúan las partículas dentro del medio.

Los resultados del aprendizaje

Después de ver esta lección, debería poder:

  • Describir compresiones y rarefacciones.
  • Definir medio y explicar cómo el estado de la materia, la densidad y la temperatura de los medios afectan las ondas sonoras.
  • Recuerda la ecuación de onda y úsala para encontrar la velocidad del sonido.

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