ACUSTICA

La acústica es la rama de la física que estudia el sonido, que es una onda mecánica que se propaga a través de la materia, bien sea en estado gaseoso, líquido o sólido, porque el sonido no se propaga en el vacío.

A efectos prácticos la acústica estudia la producción, transmisión, almacenamiento y percepción o reproducción del sonido.

SONIDO

El sonido es una sensación, en el órgano del oído, producida por el movimiento ondulatorio en un medio elástico (normalmente el aire), debido a rapidísimos cambios de presión, generados por el movimiento vibratorio de un cuerpo sonoro.

Cuando un objeto (emisor) vibra, hace vibrar también al aire que se encuentra alrededor de él. Esa vibración se transmite a la distancia y hace vibrar (por resonancia) una membrana que hay en el interior del oído, el tímpano, que codifica (convierte) esa vibración en información eléctrica. Esta información se trasmite al cerebro por medio de las neuronas. El cerebro decodifica esa información y la convierte en una sensación. A esa sensación se le denomina "sonido".

Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse por una curva ondulante, como por ejemplo una sinusoide y se pueden aplicar las mismas magnitudes unidades de medida que a cualquier Onda mecánica.

A saber:

• Longitud de onda: indica el tamaño de una onda. Entendiendo por tamaño de la onda, la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo).
• Frecuencia: número de ciclos (ondas completas) que se producen unidad de tiempo. En el caso del sonido la unidad de tiempo es el segundo y la frecuencia se mide en Hercios (ciclos/s).
• Periodo: es el tiempo que tarda cada ciclo en repetirse.
• Amplitud: indica la cantidad de energía que contiene una señal sonora. No hay que confundir amplitud con volumen o potencia acústica.
• Fase: la fase de una onda expresa su posición relativa con respecto a otra onda.
• Potencia: La potencia acústica es la cantidad de energía radiada en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La potencia acústica depende de la amplitud.

ONDA SONORA

Las variaciones de presión, humedad o temperatura del medio, producen el desplazamiento de las moléculas que lo forman. Cada molécula transmite la vibración a la de su vecina, provocando un movimiento ondulatorio en cadena.

La presión de las partículas que transportan la onda se produce en la misma dirección de propagación del sonido de la onda, siendo por tanto éstas un tipo de ondas longitudinales.

Las ondas sonoras se desplazan también en tres dimensiones y sus frentes de onda son esferas concéntricas que salen desde el foco de la perturbación en todas las direcciones. Por esto sonondas esféricas o tridimensionales.

El hercio (Hz) es la unidad que expresa la cantidad de vibraciones que emite una fuente sonora por unidad de tiempo (frecuencia). El oído humano puede percibir ondas sonoras de frecuencias entre los 16 y los 20.000 Hz. Las ondas que poseen una frecuencia inferior a los 16 Hz se denominan infrasónicas y las superiores a 20.000 Hz, ultrasónicas.

VELOCIDAD DE LA ONDA EN EL AIRE

En este caso las propiedades físicas del aire, su presión y humedad por ejemplo, son factores que afectan la velocidad.

Por ejemplo, cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación. La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la temperatura.

Una velocidad aproximada (en metros/segundo) puede ser calculada mediante la siguiente fórmula empírica:

donde  es la temperatura en grados celsius (-273 kelvins);

.

Una ecuación más exacta, referida normalmente como velocidad adiabática del sonido, viene dada por la fórmula siguiente:

donde

• R es la constante de los gases,
• m es el peso molecular promedio del aire (R/m = 287 J/kg K] para el aire),
• κ es la razón de los calores específicos (κ=c_p/c_v siendo igual a 1,4 para el aire), y
• T es la temperatura absoluta en Kelvin.

En una atmósfera estándar se considera que T es 293,15 Kelvin, dando un valor de 343 m/s ó 1.235 kilómetros/hora. Esta fórmula supone que la transmisión del sonido se realiza sin pérdidas de energía en el medio, aproximación muy cercana a la realidad.

APLICACIÓN

1. área de aplicación puede encontrarse en la formación de imágenes por ultrasonido. Está técnica permite la detección de niveles o interfaces dentro de un medio o la detección de cuerpos extraños en el interior de un volumen por medios ultrasonidos. Como ejemplos podemos citar la detección de cuerpos extraños dentro de los alimentos, la detección de grietas o huecos en quesos y la detección de niveles de llenado en tanques y silos.

Optica, Reflexion y Refraccion

La óptica geométrica estudia el comportamiento de la luz al reflejarse o refractarse en objetos de un tamaño mucho mayor que la longitud de onda de la luz. La óptica geométrica está gobernada por dos leyes generales muy simples: la Ley de Reflexión de la Luz y la Ley de Refracción de la Luz o Ley de Snell.

 Reflexión de la luz 

La Ley de Reflexión de la Luz dice que cuando un rayo de luz incide sobre una superficie reflejante plana el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Se llama ángulo de incidencia al que forma el rayo incidente con la (recta) normal al plano reflejante y se llama ángulo de reflexión al que forma el rayo reflejado con la normal al plano reflejante. La siguiente escena ilustra esta ley.



 Esquema de reflexión especular.

Al tratarse de una superficie lisa, los rayos reflejados son paralelos, es decir tienen la misma dirección.

 

En el caso de la reflexión difusa los rayos son reflejados en distintas direcciones debido a la rugosidad de la superficie

Leyes de la Reflexión

Primera Ley: El rayo incidente (I), la normal (n) y el rayo reflejado (r)están en un mismo plano.

Segunda Ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión : i=r

Consecuencias de la Segunda Ley: Como es ángulo de incidencia resulta igual al de reflexión, se deduce que:

Cuando el rayo incidente coincide con la normal, el rayo se refleja sobre si mismo

Refracción de la Luz

Refracción es el fenómeno por el cual un rayo luminoso sufre una desviación al atravesar dos medios transparentes de distinta densidad.

Leyes de la Refracción

Primera Ley: El rayo incidente, el rayo refractado y la normal pertenecen al mismo plano.

Segunda Ley: La razón entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante - llamada indice de refracción - del segundo medio respecto del primero:

 Indice de refracción Del medio 1 respecto Del medio 2

El indice de refracción varia de acuerdo los medios:

-el agua respecto del aire es n=1,33

-el vidrio respecto del aire es n=1,5

Existen tres tipos de refracción:

Se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

APLICACION

Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica. En ellas es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 °C hasta 1000 °C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica. El conjunto de la superficie reflectante y su dispositivo de orientación se denomina heliostato.