Ejercicios: El sonido

En un laboratorio se cuelga un timbre eléctrico dentro de una campana de vidrio y se va extrayendo el aire poco a poco. La figura muestra el montaje del experimento.

1. a) Describa qué se oye a medida que sale el aire.
2. b) ¿Qué demuestra este experimento sobre lo que necesita el sonido para propagarse?
3. c) ¿Por qué dos astronautas en la superficie de la Luna se hablan por radio aunque estén uno al lado del otro?

El sonido viaja por el aire como una sucesión de zonas de aire comprimido y enrarecido que avanzan desde la fuente hasta el oído. La figura representa esas zonas de compresión y enrarecimiento.

1. a) ¿Viaja el aire desde el altavoz hasta su oreja o solo oscila en torno a su posición?
2. b) Teniendo en cuenta la dirección en que oscila el aire respecto a la dirección en que avanza la onda, ¿el sonido es una onda transversal o longitudinal? Justifíquelo.
3. c) Describa cómo lo modelaría con un resorte estirado sobre la mesa.

El altavoz del play (gimnasio) está a $68\ \text{m}$ de donde usted está, como se muestra en la figura.

¿Cuánto tarda el sonido en llegar a sus oídos? Dato: el sonido viaja por el aire a $340\ \text{m/s}$.

En una guitarra, la cuerda primera (la más fina) vibra a $330\ \text{Hz}$ al aire y la sexta (la más gruesa) a $82,5\ \text{Hz}$.

1. a) ¿Cuál de las dos cuerdas suena más aguda?
2. b) ¿De qué magnitud de la onda depende el tono (agudo o grave) de un sonido?
3. c) ¿En qué unidad se mide esa magnitud?

Dos personas tocan la misma tecla de un piano, una con mucha más fuerza que la otra.

1. a) ¿Cuál de los dos sonidos se oye más fuerte?
2. b) El volumen de un sonido (fuerte o débil) es la cualidad llamada intensidad: ¿de qué magnitud de la onda depende?
3. c) ¿Cambia el tono de la nota al tocarla con más fuerza? Justifíquelo.

Un oído humano joven y sano percibe sonidos entre unos $20\ \text{Hz}$ y $20\,000\ \text{Hz}$. Indique si podemos oír cada uno de estos sonidos y nombre el rango al que pertenecen:

1. a) Un sonido de $15\ \text{Hz}$.
2. b) Un sonido de $440\ \text{Hz}$.
3. c) Un sonido de $25\,000\ \text{Hz}$.

¿Cómo se llaman los sonidos con frecuencia por encima de $20\,000\ \text{Hz}$ y qué animal los usa para orientarse en la oscuridad?

Un violín y una flauta tocan la misma nota, un la de $440\ \text{Hz}$, y con el mismo volumen. La figura muestra la forma de las ondas que produce cada instrumento.

1. a) ¿Por qué aun así distinguimos qué instrumento está tocando?
2. b) ¿Cómo se llama esa cualidad del sonido? Explique en qué se diferencian las ondas que produce cada instrumento.

Durante una tormenta usted ve el relámpago y cuenta $4\ \text{s}$ hasta que oye el trueno, como se muestra en la figura.

1. a) ¿A qué distancia de usted está la tormenta? (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)
2. b) ¿Por qué puede despreciar el tiempo que tarda en llegarle la luz del relámpago?

Usted grita frente a la pared de un frontón y oye el eco $0,5\ \text{s}$ después, como se muestra en la figura.

1. a) Explique qué camino ha recorrido el sonido desde que salió de su boca hasta que usted lo oyó.
2. b) Calcule a qué distancia está la pared. (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)

Unos fuegos artificiales estallan a $1700\ \text{m}$ de su casa. ¿Cuánto tarda usted en oír el estampido desde que ve el destello? (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)

Un silbato emite un sonido de $340\ \text{Hz}$ en el aire, donde el sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.

1. a) Calcule su longitud de onda.
2. b) Otro silbato emite con el doble de frecuencia, $680\ \text{Hz}$: calcule su longitud de onda.
3. c) Explique, con ayuda de $v = \lambda \cdot f$, cómo cambia la longitud de onda de un sonido cuando aumenta su frecuencia en el mismo medio.

Un altavoz genera un tono puro de $200\ \text{Hz}$ en el aire.

1. a) Calcule el periodo de la onda.
2. b) Calcule su longitud de onda. (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)

El sonido viaja por el agua del mar a unos $1500\ \text{m/s}$. Dos delfines nadan separados por $3\ \text{km}$.

1. a) ¿Cuánto tarda el sonido de uno en llegar al otro por el agua?
2. b) ¿Cuánto tardaría en recorrer esa misma distancia por el aire? (En el aire viaja a $340\ \text{m/s}$; exprese el resultado con un decimal.)
3. c) ¿En cuál de los dos medios se propaga más rápido el sonido?

Un guía de montaña grita hacia la pared de un desfiladero que se encuentra a $170\ \text{m}$.

1. a) ¿Qué distancia total recorre el sonido desde que grita hasta que oye el eco?
2. b) ¿Cuánto tiempo tardará en oír el eco? (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)

Una ballena canta a $20\ \text{Hz}$ y un murciélago emite sus llamadas a $68\,000\ \text{Hz}$.

1. a) ¿Puede el oído humano percibir los dos sonidos? Justifíquelo con el rango de audición, de $20\ \text{Hz}$ a $20\,000\ \text{Hz}$.
2. b) Calcule la longitud de onda de cada sonido en el aire y exprésela en una unidad adecuada. (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)
3. c) Relacione la longitud de onda tan pequeña de las llamadas del murciélago con su capacidad para detectar insectos diminutos.

En una ciudad conviven el tráfico, las obras, las terrazas con música y las sirenas de las ambulancias.

1. a) Explique qué se entiende por contaminación acústica.
2. b) Cite dos efectos del ruido excesivo sobre la salud de las personas.
3. c) Proponga una medida para reducir el ruido actuando sobre la fuente y otra actuando sobre el medio por el que se propaga.

Un excursionista grita frente a una pared rocosa lejana y oye el eco $3\ \text{s}$ después.

1. a) ¿A qué distancia está la pared? (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)
2. b) Camina $170\ \text{m}$ hacia la pared y vuelve a gritar: ¿cuánto tarda ahora el eco?
3. c) Explique por qué el tiempo se ha reducido en la misma proporción que la distancia.

El sonar de un barco envía un pulso de ultrasonido hacia el fondo marino y el eco regresa $0,4\ \text{s}$ después, como se muestra en la figura. El sonido viaja por el agua a $1500\ \text{m/s}$.

1. a) ¿Qué profundidad hay bajo el barco?
2. b) ¿Por qué el sonar usa ultrasonidos en lugar de sonidos audibles?
3. c) Si el barco navega hasta una zona donde el fondo está a $600\ \text{m}$, ¿cuánto tardará en regresar el eco?

Existe una regla práctica para las tormentas: «cada $3\ \text{s}$ entre el relámpago y el trueno, $1\ \text{km}$ de distancia».

1. a) Compruebe la regla calculando qué distancia recorre el sonido en $3\ \text{s}$ ($v_{\text{sonido}} = 340\ \text{m/s}$).
2. b) ¿Qué error comete la regla, en metros y en porcentaje? ¿Le parece aceptable para el uso cotidiano?
3. c) La regla supone que la luz llega al instante: calcule cuánto tarda en realidad la luz del relámpago en recorrer $1\ \text{km}$ ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$) y justifique si la suposición es razonable.

En las películas del Oeste, los exploradores pegan la oreja a la vía del tren para saber si se acerca uno. El sonido viaja por el acero a $5000\ \text{m/s}$ y por el aire a $340\ \text{m/s}$. Un tren lejano pita estando a $1700\ \text{m}$. La figura muestra las dos rutas por las que llega el sonido.

1. a) ¿Cuánto tarda el pitido en llegar por el aire?
2. b) ¿Cuánto tarda en llegar por la vía?
3. c) ¿Con cuánta ventaja llega el sonido por la vía? Exprese el resultado con un decimal.
4. d) Explique, pensando en las partículas de cada medio, por qué el sonido se propaga mucho más rápido por el acero que por el aire.

Dos estudiantes quieren medir la velocidad del sonido al aire libre. Se colocan a $255\ \text{m}$ el uno del otro: uno golpea un bombo y el otro cronometra $0,75\ \text{s}$ desde que ve el golpe hasta que oye el sonido.

1. a) Calcule la velocidad del sonido que obtienen.
2. b) ¿Por qué el segundo estudiante arranca el cronómetro al ver el golpe y no necesita saber el instante exacto en que se produjo?
3. c) Indique dos fuentes de error de esta medida y una forma de mejorar el experimento.

En un concierto al aire libre, el sonido junto a los altavoces es ensordecedor y a $100\ \text{m}$ apenas molesta. La figura representa cómo se reparte la energía de la onda al alejarse del altavoz.

1. a) ¿Qué magnitud de la onda sonora disminuye al alejarse de la fuente y cuál se mantiene?
2. b) El altavoz emite su energía repartiéndola sobre superficies esféricas cada vez mayores a medida que la onda se aleja: explique con esta idea por qué el volumen baja tanto con la distancia.
3. c) Relacione lo anterior con la recomendación de no permanecer mucho tiempo pegado a los altavoces.

Una familia vive en un apartamento junto a una avenida muy transitada y sufre el ruido del tráfico también de noche.

1. a) Proponga una medida para reducir el ruido actuando sobre la fuente, otra actuando sobre el medio de propagación y otra sobre el receptor, justificando físicamente cada una.
2. b) Explique por qué una ventana de doble vidrio con cámara de aire aísla mejor del ruido que un vidrio sencillo.
3. c) Dentro de la casa, las cortinas gruesas, las alfombras y los estantes llenos de libros reducen el ruido: ¿qué le hacen esos materiales al sonido en lugar de reflejarlo?

Un murciélago emite un pulso de ultrasonido y recibe el eco que produce una polilla $0,02\ \text{s}$ después. (El sonido viaja por el aire a $340\ \text{m/s}$.)

1. a) ¿A qué distancia está la polilla?
2. b) ¿Por qué las personas no oímos las llamadas del murciélago?
3. c) Los objetos mucho más pequeños que la longitud de onda apenas reflejan la onda: razone por qué al murciélago le conviene usar frecuencias altas, con longitudes de onda pequeñas, para cazar insectos.