Tema 1: Acústica, luz y óptica

Acústica

Es una rama de la física que se encarga de estudiar el sonido, sus propiedades y características.

Para que dicho sonido pueda producirse siempre debe existir un medio físico en el cual se pueda desarrollar: sólido, líquido o gaseoso, de lo contrario y de no existir un medio en el qué reproducirse, las ondas sonoras serán inaudibles. 

Dichas ondas sonoras viajan gracias al Movimiento Rectilíneo Uniforme (M.R.U.), por lo que se mueve con una rapidez constante y se podrá utilizar la siguiente fórmula:

v=d/t                            o  a su vez                           v= f * λ

v= rapidez                                                              f= frecuencia

d= distancia                                                           λ= longitud de onda                                                   

t= tiempo

Para hallar la velocidad del sonido en los diferentes medios, hacemos uso de las siguientes fórmulas:

En la constante adiabática podemos observar dos tipos:

Gases monoatómicos: Helio (He)= 4 g/mol, Argón (Ar)= 40 g/mol y Neón (Ne)= 20 g/mol. Por lo que la constante es de 1,67

Gases diatómicos: Nitrógeno (N)=14 g/mol, Oxígeno (O)= 16 g/mol e Hidrógeno (H)= 1 g/mol. Por lo que la constante es de: 1,40

Cuando el sonido se encuentra en condiciones ideales, una onda sonora se propaga con M.R.U. y una rapidez de: v=340 m/s

Cuando existe un cambio de temperatura en el ambiente se puede calcular con la siguiente fórmula:

v= 331 m/s + 0,6 m/s*°C * T

Propiedades del sonido

Reflexión: Es el rebote del sonido con alguna especie de superficie, también se le conoce como eco, aunque esto tiene mucho que ver con los materiales con los que choca, es decir: reflejantes o absorbentes

Refracción: Es cuando el sonido atraviesa un medio y la onda sonora cambia de dirección al a travesar un medio distinto

Difracción: Esta propiedad se produce cuando la onda sonora bordea un esquiva un obstáculo o pasa a través de una abertura, ocasionando una división o cambio de propagación, pero en línea recta.

Interferencia: Se produce cuando dos o más ondas sonoras viajan en el mismo medio, chocan e interfieren entre sí.

Intensidad del sonido:

Se conoce como una característica que poseen las ondas sonoras que depende de la frecuencia, rapidez, amplitud y densidad del medio y  de la misma. Dicha intensidad se mide en watts/m². El oído humano soporta una intensidad máxima de 80 dB y su fórmula es:

I= 2π² * f² * A² * S * v

f= Frecuencia (Hz)

A= Amplitud (m)

S= Densidad (kg/m³)

v= Rapidez de la onda (m/s)

La intensidad umbral se conoce como la intensidad mínima que puede ser escuchada por un ser humano, es decir: Io= 1x10−12 watts/m².

El nivel de intensidad se calcula con la siguiente fórmula:

Este nivel de intensidad siempre se encuentra en decibeles (dB)

 Potencia Sonora:

Se conoce como la relación que existe entre la energía y el tiempo. Además de ser la cantidad de energía sonora por la unidad de tiempo que fue producida por una fuente que es capaz de emitir ondas sonoras. La fórmula para calcular dicha potencia es:

P= 4π * I * R²

Para la rapidez del sonido se establecieron diferentes categorías luego de la comparación de varios objetos y la rapidez del sonido, esto a través de algo llamado Número de Match (M), es decir, la relación de un objeto con la rapidez del sonido, por lo que se aplica la siguiente fórmula:

                                                                               M= Vo/Vs

Vo= Rapidez del objeto

Vs= Rapidez del sonido

A raíz de esta comparación aparecieron categorías de clasificación de Match:

Subsónicos: El Match es menor a 1

Sónicos:  El Match es igual a 1

Supersónicos: El Match es mayor a 1

Transónicos: El Match es mayor a 0,8 y menor a 1,3

Hipersónicos: El Match es mayor a 5 y menor a 10

Hiperveloces: El Match es mayor a 10

Para la clasificación de Match, hay que tomar en cuenta que estos se pueden encontrar ubicados en varios tipos, no necesariamente solo en uno.

Efecto Doppler: 

Christian Andreas Doppler es conocido como un físico/matemático que expuso una hipótesis en donde explicaba un "supuesto" cambio en la frecuencia de onda sonora cuando existía una rapidez relativa entre un observador y una fuente sonora, aplicando la siguiente fórmula:

fo= Frecuencia captada por el observador

f= Frecuencia de la fuente sonora 

vs= Rapidez del sonido

vo= Rapidez captada por el observador

vf= Rapidez de la fuente sonora

Hay que tomar en cuenta que:

• Si la fuente se acerca al observador, la frecuencia aumenta y los signos en la fórmula son +,- respectivamente
• Cuando el observador está frente a frente la rapidez es igual 
• Si la fuente se aleja del observador, la frecuencia disminuye  y los signos en la fórmula son -,+ respectivamente 

Luz

Se conoce como ondas electromagnéticas las cuales se difunden a través de un medio en el vacío con una rapidez considerada constante. En el vacío la rapidez de la luz es de: 300000 km/s. Se dice que posee una naturaleza dual ya que se comporta como onda evidenciándose en fenómenos como la difracción, interferencia y polarización  y partícula mostrándose en el efecto fotoeléctrico, la radiación de cuerpos negros y espectros atómicos.

En los espectros que se consideran visibles, las diferencias de longitud de onda se destacan por poseer una diferencia de colores, siendo así el rango visible de 350 nm (violeta) hasta 750 nm (rojo). Por otro lado, podemos destacar que la luz blanca es la unión o mezcla de todas las longitudes de ondas visibles.

Propagación de la luz:

La luz que se emite mediante fuentes luminosas tiene la posibilidad de viajar a través de algún medio físico o en su ausencia también, aunque hay que tomar en cuenta que existen algunos medios que hacen imposible la propagación de la misma, por lo que estos medios se dividen en:

Cuerpos luminosos: Son aquellos que pueden producir luz propia, estos se pueden dividir en naturales: sol, volcanes y artificiales: lámpara, foco

Cuerpos iluminados: Se conoce como los objetos que reciben luz de fuentes lumínicas por lo general son todas las cosas existentes como: silla, jarro, florero, tenedor, entre otros.

Cuerpos transparentes: Son aquellos cuerpos que cuando la luz a traviesa de ellos se ve prácticamente igual, es decir, que no se altera, estos pueden ser: agua pura, ventanas, entre otros.

Cuerpos opacos: Son aquellos que no permiten el paso de la luz, como las cortinas o puertas.

Cuerpos traslúcidos: Son aquellos cuerpos que permiten el paso de la luz, pero no permiten la observación certera de la forma de los objetos a través de ellos como: el papel vegetal, el cristal esmerilado, diamante, aceite, entre otros. 

Rapidez de la luz:

Como es conocido, la luz tiene la capacidad de difundirse a través de un medio homogéneo y transparente con una rapidez constante la cual cambia de un medio a otro. Hay que destacar que la rapidez de la luz es mucho mayor en el vacío que en cualquier otro medio o material.

Índice de refracción:

Se simboliza con la letra n y se conceptualiza como la relación entre la rapidez de la luz en el vacío y la rapidez de una determinada longitud de onda en un medio o sustancia específica. Su fórmula es:

                                                                   n= c/v

n= Índice de refracción

c= Rapidez de la luz en el vacío

v= Rapidez de una longitud de onda específica 

Por lo que cabe recalcar que mientras mayor sea el índice de refracción de cierto material, menor será la rapidez de onda dentro del mismo.

Propiedades de la luz:

Reflexión de la luz: Es un fenómeno en donde el rayo de luz que choca sobre una determinada superficie, rebota y cambia de dirección, es decir que se invierte el sentido de su propagación. Algo curioso es que la visión de los objetos se debe gracias a este fenómeno, esto se debe a que los rayos luminosos se reflejan en la superficie de cierto objeto y muestran al observador los detalles de su tamaño y forma. 

Dicha reflexión se puede dividir según las características de la superficie en la que se refleja, las cuales pueden ser: 

Reflexión regular:  Se da cuando la superficie es totalmente lisa como: un espejo

Reflexión difusa: Se da en superficies que se pueden considerar rugosas, por lo que cuando el haz de luz se refleja, estos tienden a dispersarse e ir en direcciones diferentes 

Leyes de la reflexión: 

1. Se conoce que la normal, el rayo incidente y el rayo reflejado se hallan en el mismo plano
   
2. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión

Refracción de la luz: Se conoce como el cambio de dirección que se observa en la propagación de la luz cuando a traviesa de forma vertical y horizontal (oblicuo) una superficie de separación entre dos medios transparentes que pertenecen a distinta naturaleza, por ejemplo: lentes, cámaras y el ojo humano

Ley de Snell: Esta dice que los senos de los ángulos de refracción y de incidencia son directamente proporcionales a las rapideces de difusión de la luz en los medios correspondientes

Θi= Ángulo de incidencia

Θre= Ángulo de refracción

v1= Rapidez de la luz en el primer medio

v2= Rapidez de la luz en el segundo medio

Para hallar las rapideces de los medio se utilizan las siguientes fórmulas:

Por lo que:

Y así mismo, se puede deducir que el índice de refracción del primer medio es mayor que la del segundo medio, el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia , por lo que el rayo refractado se distancia de la normal.

Dispersión de la luz: Es cuando la luz se dispersa gracias a la rapidez de la onda y el índice de refracción, aunque esto depende de factores como los índice de la luz violeta y la luz roja.

Polarización de la luz: Por lo general este fenómeno se presenta como una onda transversal de la luz, es decir que si un rayo es reflejado y refractado a 90°, la luz que se observará será reflejada de forma polarizada.

Absorción de la luz: Este fenómeno se presenta cuando la luz que incide pasa por medio de un material y presenta las propiedades de reflexión, refracción y parte de la energía que lo conforma se convierte en otro tipo de energía.

Óptica

Es una rama de la física que estudia los fenómenos de la luz: interferencia, polarización y difracción.

Su objetivo principal es el estudio de la luz en elementos ópticos como los espejos, los cuales pueden ser planos o esféricos.

Espejos planos: La imagen que se forma en este tipo de espejos es virtual, directa y igual tamaño al objeto reflejado

Espejos esféricos: Este tipo de espejos tiene la forma de la mitad de una esfera que fue cortada, estos mismos se pueden dividir en:

Espejos cóncavos:  La superficie reflectora se encuentra ubicada en la cara interior de la dicha esfera

Espejos convexos: La superficie reflectora se encuentra situada en la cara exterior de la esfera