Una ona sonora és una ona longitudinal mecànica d'una determinada freqüència. A l'article entendrem què són les ones longitudinals i transversals, per què no tota ona mecànica és sonora. Descobriu la velocitat de l'ona i les freqüències a les quals es produeix el so. Descobrim si el so és el mateix en diferents entorns i aprenem a trobar la seva velocitat mitjançant la fórmula.
Apareix
Wave
Imaginem una superfície d'aigua, per exemple un estany en temps tranquil. Si llances una pedra, a la superfície de l'aigua veurem cercles que divergeixen del centre. I què passarà si agafem no una pedra, sinó una bola i la posem en moviment oscil·latori? Els cercles es generaran constantment per les vibracions de la pilota. Veurem aproximadament el mateix que es mostra a l'animació per ordinador.
Si baixem el flotador a una certa distància de la pilota, també oscil·larà. Quan les fluctuacions divergeixen en l'espai al llarg del temps, aquest procés s'anomena ona.
Per estudiar les propietats del so (longitud d'ona, velocitat de l'ona, etc.), la famosa joguina Rainbow, o Happy Rainbow, és adequada.
Estirem la molla, deixem que es calmi i sacsegem-la amunt i avall amb força. Veurem que va aparèixer una onada, que va recórrer la font, i després va tornar enrere. Això vol dir que es reflecteix des de l'obstacle. Vam observar com l'ona es propagava al llarg de la primavera al llarg del temps. Les partícules de la molla es van moure cap amunt i cap avall en relació al seu equilibri, i l'ona va córrer a l'esquerra i a la dreta. Aquesta ona s'anomena ona transversal. En ell, la direcció de la seva propagació és perpendicular a la direcció d'oscil·lació de les partícules. En el nostre cas, el medi de propagació de les ones era una molla.
Ara estirem la molla, deixem que es calmi i estirem cap endavant i cap enrere. Veurem que les bobines de la molla es comprimeixen al llarg d'ella. L'onada corre en la mateixa direcció. En un lloc la molla està més comprimida, en un altre està més estirada. Aquesta ona s'anomena longitudinal. La direcció d'oscil·lació de les seves partícules coincideix amb la direcció de propagació.
Imaginem un medi dens, per exemple, un cos rígid. Si el deformem per cisalla, sorgirà una ona. Apareixerà a causa de les forces elàstiques que actuen només en sòlids. Aquestes forces tenen el paper de restaurar i generar una ona elàstica.
No es pot deformar un líquid per cisalla. Una ona transversal no es pot propagar en gasos i líquids. Una altra cosa és longitudinal: s'estén per tots els ambients on actuen les forces elàstiques. En una ona longitudinal, les partícules s'apropen les unes a les altres, després s'allunyen, i el propi mitjà es comprimeix i es rarifitza.
Molta gent pensa que els líquidsincompressible, però no és així. Si premeu l'èmbol de la xeringa amb aigua, s'encongrà una mica. En els gasos, també és possible la deformació per compressió-tracció. En prémer l'èmbol d'una xeringa buida es comprimeix l'aire.
Velocitat i longitud d'ona
Tornem a l'animació que teníem en compte al principi de l'article. Escollim un punt arbitrari en un dels cercles que divergeixen de la bola condicional i el seguim. El punt s'allunya del centre. La velocitat a la qual es mou és la velocitat de la cresta de l'ona. Podem concloure: una de les característiques de l'ona és la velocitat de l'ona.
L'animació mostra que les crestes de l'ona estan situades a la mateixa distància. Aquesta és la longitud d'ona, una altra de les seves característiques. Com més freqüents siguin les onades, més curta serà la seva longitud.
Per què no totes les ones mecàniques són sonores
Agafa un regle d'alumini.
És inflable, així que és bo per a l'experiència. Posem el regle a la vora de la taula i el premem amb la mà perquè sobresurti amb força. Premem la seva vora i l'alliberem bruscament: la part lliure començarà a vibrar, però no hi haurà so. Si esteneu una mica el regle, la vibració de la vora curta crearà un so.
Què demostra aquesta experiència? Demostra que el so només es produeix quan un cos es mou prou ràpid quan la velocitat de l'ona en el medi és alta. Introduïm una característica més de l'ona: la freqüència. Aquest valor mostra quantes vibracions per segon fa el cos. Quan creem una ona a l'aire, el so es produeix en determinades condicions, quan n'hi ha prou alta freqüència.
És important entendre que el so no és una ona, tot i que està relacionat amb ones mecàniques. El so és la sensació que es produeix quan les ones sonores (acústiques) entren a l'oïda.
Tornem al governant. Quan la part més gran s'estén, el regle oscil·la i no fa so. Això crea una onada? És clar, però és una ona mecànica, no una ona sonora. Ara podem definir una ona sonora. Aquesta és una ona longitudinal mecànica, la freqüència de la qual es troba en el rang de 20 Hz a 20 mil Hz. Si la freqüència és inferior a 20 Hz o superior a 20 kHz, no la sentirem, tot i que es produiran vibracions.
Font de so
Qualsevol cos oscil·lant pot ser font d'ones acústiques, només necessita un medi elàstic, per exemple, l'aire. No només un cos sòlid pot vibrar, sinó també un líquid i un gas. L'aire com a barreja de diversos gasos no només pot ser un medi de propagació, sinó que és capaç de generar una ona acústica. Són les seves vibracions les que subjauen al so dels instruments de vent. La flauta o la trompeta no vibra. És l'aire que s'enrareix i es comprimeix, dóna una certa velocitat a l'ona, com a conseqüència de la qual escoltem el so.
Difusió del so en diferents entorns
Vam descobrir que sonen diferents substàncies: líquides, sòlides, gasoses. El mateix passa amb la capacitat de conduir una ona acústica. El so es propaga en qualsevol medi elàstic (líquid, sòlid, gasós), excepte el buit. En un espai buit, per exemple a la lluna, no sentirem el so d'un cos vibrant.
La majoria dels sons percebuts pels humans passen per l'aire. Els peixos, les meduses senten una ona acústica divergent a través de l'aigua. Nos altres, si ens submergim sota l'aigua, també sentirem el soroll d'una barca a motor que passa. A més, la longitud d'ona i la velocitat de l'ona seran més altes que a l'aire. Això vol dir que el so del motor serà el primer que escoltarà una persona que busseja sota l'aigua. El pescador, que està assegut a la seva barca al mateix lloc, sentirà el soroll més tard.
En sòlids, el so viatja encara millor i la velocitat de l'ona és més alta. Si us poseu un objecte dur, sobretot de metall, a l'orella i hi toqueu, escoltareu molt bé. Un altre exemple és la teva pròpia veu. Quan escoltem per primera vegada el nostre discurs, prèviament gravat en una gravadora de veu o des d'un vídeo, la veu sembla aliena. Per què passa això? Perquè a la vida no sentim tant vibracions sonores de la nostra boca com vibracions d'ones que travessen els ossos del nostre crani. El so reflectit per aquests obstacles canvia una mica.
Velocitat del so
La velocitat d'una ona sonora, si tenim en compte el mateix so, serà diferent en diferents entorns. Com més dens és el medi, més ràpid arriba el so a la nostra oïda. El tren pot anar tan lluny de nos altres que encara no s'escoltarà el so de les rodes. Tanmateix, si poseu l'orella a les baranes, podrem escoltar clarament el soroll.
Això suggereix que les ones sonores viatgen més ràpidament en els sòlids que en l'aire. La figura mostra la velocitat del so en diferents entorns.
Equació d'ones
La velocitat, la freqüència i la longitud d'ona estan interconnectades. Per als cossos que vibren a una freqüència elevada, l'ona és més curta. Els sons de baixa freqüència es poden escoltar a una distància més gran perquè tenen una longitud d'ona més llarga. Hi ha dues equacions d'ona. Il·lustren la interdependència de les característiques de les ones entre si. Coneixent dues quantitats qualsevol de les equacions, podeu calcular la tercera:
с=ν × λ, on c és la velocitat, ν és la freqüència, λ és la longitud d'ona.
Segona equació d'ona acústica:
s=λ / T, on T és el període, és a dir, el temps durant el qual el cos fa una oscil·lació.
