Estacionarias
12 dic, 2011
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PDFEn tubos
PRESENTACIÓN: La relación entre la frecuencia de una onda estacionaria y la longitud de un tubo con sus extremos abiertos puede analizarse con un tubo corrugado girando a distintas velocidades.
- A Simple Experiment to Explore Standing Waves in a Flexible Corrugated Sound Tube, Maria Eva Amorim, Teresa Delmira Sousa, P. Simeão Carvalho, and Adriano Sampaioe Sousa, Phys. Teach. 49, 360 (2011)
- Singing corrugated pipes: Using video cameras to measure air flow, Louis H. Cadwell, Phys. Teach. 32, 42 (1994)
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Las ondas estacionarias se producen en un medio limitado (cuerda, tubo con aire, membrana, …). Una propiedad de ellas es que su longitud de onda (y, en consecuencia, su frecuencia) no puede adoptar cualquier valor arbitrario, sino sólo unos determinados valores. Estas frecuencias se llaman frecuencias de resonancia o frecuencias naturales del medio en el que se produce la onda.
Como nos mencionaron en clase, las ondas estacionarias están en nuestro día a día porque son las que se producen en los instrumentos musicales: guitarra, flauta, trompeta…
Aquí os dejo un pequeño vídeo que muestra la importancia que tiene tanto la aerodinámica como los efectos producidos por la resonancia en las estructuras y construcciones. El viento que provocó la caída del puente se movía a una velocidad de 61 kilómetros por hora y tenía 5 segundos de frecuencia, que resultó ser muy similar a la frecuencia natural del puente con lo cual la energía transferida y la amplitud de oscilación del sistema era máxima y acabó colapsándolo.
Este tipo de ondas, las estacionarias tienen una particularidad y es que los nodos que componen la onda no se desplazan. Gracias a esto la frecuencia solo puede tener unos ciertos valores. Esto hace que por ejemplo el coche vibre a unas ciertas velocidades y no ha otras. Esto es debido a que la onda que produce el viento tiene la misma frecuencia que el metal o el plástico del coche y produce esas vibraciones tan molestas.
Os dejo un vídeo donde explican más detalladamente este fenómeno.
As vibracións que se propagan no aire forman os diferentes sons dependendo da lonxitude e frecuencia de onda. É por iso que no mundo da música xógase coa cantidade de harmónicos e a resonancia para a fabricación de diferentes instrumentos. No seguinte vídeo, o científico do Parque das Ciencias de Granada, Vicente López, fai unha presentación sobre as ondas, o son e a música, onde explica o fundamento físico da creación musical.
Es importante comentar que este fenómeno no funciona igual en un medio sólido que en medio líquido, ya que este segundo, no sigue un patrón lineal.
La excitación de ondas estacionarias no lineales en un recipiente que oscila horizontalmente o verticalmente, ha sido muy investigado por la ingeniería costera y industrial, debido a, los daños que provocan las ondas del agua en estructuras costeras o por el problema de estabilidad de naves que transportan líquidos en tanques parcialmente llenos en un espacio confinado.
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Las variaciones de temperatura influyen sobre la frecuencia de los sonidos que se emite un tubo sonoro: cuando aumenta la temperatura, aumenta la velocidad del sonido y por lo tanto la frecuencia de los sonidos que éste emite. Por otra parte, el aumento de temperatura afecta también a las dimensiones del tubo; al aumentar su longitud el sonido será más grave, compensándose en parte el efecto de la temperatura sobre la velocidad del sonido. De ahí que sea tan importante que los instrumentos musicales no sufran excesivos cambios de temperatura.
El experimento es muy simple, quizá demasiado simple para utilizar como plato único de la práctica, por lo que creo que podría reforzarse y acompañarse de algún otro experimento. Veo que otros comentarios ya han ahondado en las utilidades de las ondas estacionarias, por lo que no voy a añadir nada al respecto. No obstante, para añadir cierta enjundia a la práctica, podría acompañarse el movimiento de los tubos con otro experimento, como podría ser éste en el que se aprecian los nodos de la onda con claridad. Además, esta página de TED, permite no solo ver el vídeo del experimento, sino que también cuenta con un cuestionario online con algunas preguntas para asegurar que el espectador entendió el concepto, y ofrece cierta información adicional sobre el tema. Además, si alguien quiere profundizar más detalladamente en este apasionante tema, le recomiendo la siguiente página que me resultó de gran utilidad para entender ciertos aspectos de las ondas estacionarias que no tenía claros.
As ondas estacionarias son un caso particular de interferencia que ocorre cando se superpoñen dúas ondas na mesma dirección, amplitude e frecuencia, pero en sentido contrario. Nunha onda estacionaria os distintos puntos que a conforman oscilan en torno a súa posición de equilibrio a medida que transcorre o tempo pero o patrón da onda non se move.
Esta simulación representa unha onda que se propaga de esquerda a dereita, a súa onda reflectida, que se propaga na mesma dirección pero na dirección oposta e o resultado da superposición de ambos, caracterizada pola presenza de puntos de vibración cuxa amplitude é nulo (nodos) e de vibración de amplitude máxima (ventre ou antinodo).
Las ondas estacionarias pueden utilizarse en un gran número de aplicaciones. Por ejemplo, en la siguiente patente se emplean ondas estacionarias para conseguir separar un fluido o un determinado material particulado, de otro fluido. Este descubrimiento puede utilizarse en tratamiento de aguas para acabar con los contaminantes difíciles de eliminar en los procesos tradicionales de tratamiento de aguas.
El vídeo es útil para una futura aplicación en el aula e interesante ya que nunca antes había visto una explicación de ondas estacionarias de esta forma, además es muy gracioso ver al hombre como se marea de tantas vueltas.
Las ondas estacionarias se producen al interferir dos ondas de la misma naturaleza con igual amplitud, longitud de onda y dirección, pero que avanzan en sentido opuesto a través de un medio.
Son las responsables del sonido de muchos instrumentos musicales, por ejemplo la guitarra, en el las ondas estacionarias se producen al vibrar las cuerdas. En este vídeo se pueden ver las ondas producidas por la vibración de las cuerdas de una guitarra. Aquí se explican las ondas estacionarias en cuerdas.
A veces me sorprende como podemos ver fenómenos complicados de entender con pequeños experimentos muy sencillos.Otra manera de visualizar las ondas estacionarias de manera casera pero visual es con un hilo, un cepillo de dientes eléctrico y un peso. Aquí veréis el resultado.
Os diferentes sons que percibimos ao facer virar o tubo corrugado coñécense como harmónicos. Considerando unha nota musical como unha frecuencia fundamental, os harmónicos desa nota serán os múltiplos da súa frecuencia. Hai instrumentos como a frauta de harmónicos nos que as diferentes notas deben conseguirse xogando con estes múltiplos da frecuencia fundamental. No seguinte vídeo pódese ver como funciona unha frauta de harmónicos. Ao buscar o termo “Armónico” na wikipedia atopamos un cadro cun exemplo de “serie de armónicos” no que se indica o número de harmónico, a súa frecuencia e a nota coa que se corresponde. Tal e como se pode ver nese cadro, a partir dunha nota pódenser tocar outras notas xogando cos seus harmónicos.
Cuando en un mismo plano se suman dos ondas de la misma frecuencia y amplitud, pero sentidos opuestos, y un desfase de media longitud de onda, tenemos lo que se llaman ondas estacionarias. La característica de este tipo de ondas es que cuentan con unos puntos, denominados nodos, en los que el movimiento aparentemente es nulo. Según el modo de vibración de la onda, los nodos estarán en puntos distintos de la línea. Si ese plano de la onda coincide con la dirección de la fuerza de gravedad, podemos llegar a tener tramos de la onda estacionaria en sentido gravitatorio que son compensados por tramos en el sentido contrario y anti-gravitario como se puede ver en este vídeo de la Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations. De esa manera, son esos nodos los lugares más estables. Esta aplicación de las ondas estacionarias se sigue usando hoy en aplicaciones de microgravedad.
El tubo de Kundt es un dispositivo ideado por August Kundt que permite visualizar ondas sonoras en un tubo de vidrio. Fue utilizado en sus orígenes para el estudio de las ondas estacionarias y para la determinación de la velocidad del sonido, pero en la actualidad se sigue utilizando en distintas aplicaciones como la medida de la impedancia acústica de algunos materiales. Para estudiar ondas estacionarias, Kundt utilizó un tubo transparente lleno de aire y de un polvo fino (talco). Usando un pistón que golpeaba una membrana al extremo del tubo, buscó condiciones que permitieran obtener ondas estacionarias. Los nodos y los vientres de vibración son entonces visibles a través del tubo gracias a que el talco se concentra en los nodos. En el siguiente video podéis ver el funcionamiento de este tubo.
Las ondas estacionarias que se producen en tubos dependen de si el tubo está abierto por ambos extremos, o cerrado por un extremo. Si un tubo es abierto por ambos extremos, el aire vibra con su máxima amplitud en los extremos. No obstante, si el tubo es cerrado por un extremo se origina un vientre en el extremo por donde penetra el aire y un nodo en el extremo cerrado. Se puede encontrar más información al respecto en este enlace.
Si bien este instrumento fue diseñado originalmente para ser un juguete por el inventor de juguetes británico William AG Pugh, ha sido utilizado también como instrumento musical experimental: el resonador de tubo o corrugáfono, que no es más que un tubo de plástico acanalado como el que se muestra en el vídeo. Este instrumento ha sido utilizado por varios artistas, incluidos Peter Schickele, Frank Ticheli, Paul Simon, Macy Gray o Loch Lomond. En este video hacen una versión del tema “hello” de Adele, utilizando este instrumento