Ejercicios: El sonido

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

1. a) Describe 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 tu 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? Justifícalo.
3. c) Describe cómo lo modelarías con un muelle estirado sobre la mesa.

El altavoz del polideportivo está a $68\ \text{m}$ de donde tú estás, como se muestra en la figura.

¿Cuánto tarda el sonido en llegar a tus 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? Justifícalo.

Un oído humano joven y sano percibe sonidos entre unos $20\ \text{Hz}$ y $20\,000\ \text{Hz}$. Indica si podemos oír cada uno de estos sonidos y nombra 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? Explica en qué se diferencian las ondas que produce cada instrumento.

Durante una tormenta ves el relámpago y cuentas $4\ \text{s}$ hasta que oyes el trueno, como se muestra en la figura.

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

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

1. a) Explica qué camino ha recorrido el sonido desde que salió de tu boca hasta que lo oíste.
2. b) Calcula a qué distancia está la pared. (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)

Unos fuegos artificiales estallan a $1700\ \text{m}$ de tu casa. ¿Cuánto tardas en oír el estampido desde que ves 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) Calcula su longitud de onda.
2. b) Otro silbato emite con el doble de frecuencia, $680\ \text{Hz}$: calcula su longitud de onda.
3. c) Explica, 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) Calcula el periodo de la onda.
2. b) Calcula 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 $340\ \text{m/s}$; expresa 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? Justifícalo con el rango de audición, de $20\ \text{Hz}$ a $20\,000\ \text{Hz}$.
2. b) Calcula la longitud de onda de cada sonido en el aire y exprésala en una unidad adecuada. (El sonido viaja a $340\ \text{m/s}$.)
3. c) Relaciona 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) Explica qué se entiende por contaminación acústica.
2. b) Cita dos efectos del ruido excesivo sobre la salud de las personas.
3. c) Propón 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) Explica 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) Comprueba la regla calculando qué distancia recorre el sonido en $3\ \text{s}$.
2. b) ¿Qué error comete la regla, en metros y en porcentaje? ¿Te parece aceptable para el uso cotidiano?
3. c) La regla supone que la luz llega al instante: calcula cuánto tarda en realidad la luz del relámpago en recorrer $1\ \text{km}$ ($c = 3\cdot10^{8}\ \text{m/s}$) y justifica 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? Expresa el resultado con un decimal.
4. d) Explica, pensando en las partículas de cada medio, por qué el sonido se propaga mucho más rápido por el acero que por el aire.

Dos alumnos 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) Calcula la velocidad del sonido que obtienen.
2. b) ¿Por qué el segundo alumno arranca el cronómetro al ver el golpe y no necesita saber el instante exacto en que se produjo?
3. c) Indica 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: explica con esta idea por qué el volumen baja tanto con la distancia.
3. c) Relaciona lo anterior con la recomendación de no permanecer mucho tiempo pegado a los altavoces.

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

1. a) Propón 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) Explica por qué una ventana de doble cristal con cámara de aire aísla mejor del ruido que un cristal sencillo.
3. c) Dentro de casa, las cortinas gruesas, las alfombras y las estanterías llenas 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: razona por qué al murciélago le conviene usar frecuencias altas, con longitudes de onda pequeñas, para cazar insectos.