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FISICA 2 MODULO 1

CONTENIDO 1. ACÚSTICA

Concepto de onda. Modelo de onda. Caracterización y clasificación de las ondas. Fenó-menos ondulatorios: absorción, reflexión, refracción, interferencia. El sonido. Su naturale-za. Propagación de ondas en distintos medios. Longitud de onda y frecuencia: caracterís-ticas en el sonido y su percepción por el oído humano. Magnitudes acústicas. Campo au-ditivo. Resonancia. Efecto Doppler. Reflexión del sonido: eco y reverberación.

2. ÓPTICA

La luz, su naturaleza y su propagación. Ondas electromagnéticas. Teoría del color. Efecto estroboscópico. Iluminación. Magnitudes fotométricas: intensidad, iluminación y flujo lumi-noso. Definiciones. Unidades.

Física 2 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 1. Acústica Guía 1. Ondas, sonido y luz

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Ondas Definición

En física, una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad (por ejemplo, den-sidad, presión, campo eléctrico o campo magnético) de un medio elástico a través de dicho medio, impli-cando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío. Modelo de onda

Para la caracterización de las ondas se utilizan algunos parámetros que se pueden medir y que identifican a las ondas. Para ello se parte de una modelización de los movimientos ondulatorios.

Morfología de las ondas

Es la unidad mínima que se repite constantemente.

Cresta: Es el punto más alto de una onda.

Valle: Es el punto más bajo de una onda.

Nodo: es el punto en el que la onda cruza a la línea de base

Parámetros de las ondas

Longitud de onda (): Distancia que hay entre dos crestas consecutivas. Se mide en múltiplos o submúl-tiplos del metro (m)

Frecuencia (f): Número de ciclos que pasan por un punto durante un segundo. Se mide en ciclos por segundo o Hertz (Hz)

Período (): Es el tiempo que tarda la onda de ir de un punto de máxima amplitud al siguiente. Se mide en segundos

Amplitud (A): Es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Se mide en múltiplos o submúltiplos del metro (m)

Velocidad de propagación (v): es la velocidad a la que se propaga el movimiento ondulatorio. Su valor es el producto entre la longitud de onda y su frecuencia. Se mide en metros sobre segundo (m/s)

Energía asociada a las ondas. La cantidad de energía asociada a una onda dependerá de su frecuencia y de su amplitud. Se verifica que la energía aumenta a medida que aumenta la frecuencia y también a medida que aumenta la amplitud aunque ambos parámetros son independientes, es decir que uno pue-de aumentar aunque el otro se mantenga constante, aumente o disminuya.

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

ciclo longitud de onda

amplitud


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Ejercicio a. Para las ondas 1 y 2 determinar la amplitud, longitud de onda, periodo, frecuencia y velocidad. b. ¿Cuál de las dos ondas tendrá mayor energía?

Clasificación de las ondas

Las ondas se clasifican atendiendo a diferentes aspectos:

1. Según su movimiento

a) Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven o vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un resorte que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

b) Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran per-pendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, las ondas que se producen sobre la superficie del agua.

Ondas transversales Ondas longitudinales

2. Según su constitución

a) Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe trans-porte neto de materia a través del medio. La velocidad puede ser afectada por algunas característi-cas del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las vibraciones, las ondas sonoras y las ondas de sísmicas.

b) Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, por lo tanto puede propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagné-ticas son producidas por las oscilaciones de la energía. Pueden ser agrupadas en rangos de frecuen-cias. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético y lo estudia la radiometría.


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Fenómenos ondulatorios

Absorción

La absorción de las ondas ocurre cuando interactúan con algún material que disminuye su amplitud de mo-do que la energía de la onda disminuye. Cuando un conjunto de ondas interactúa con un material, la canti-dad de ondas que emergen de dicho material es menor o nula.

En el caso de las ondas mecánicas, la absorción se presenta cuando se encuentra con un material elástico y la energía de la onda se transforma en energía cinética para mover las fibras elásticas de dicho material. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, cuando el sonido llega hasta una espuma de poliuretano. Si son pocas las ondas que llegan a atravesar el material se habla de atenuación y si ninguna onda puede salir de él, se habla de absorción total.

En el caso de las ondas electromagnéticas, el fenómeno implica cambios en los electrones de los átomos del material absorbente. Cuando la radiación alcanza a un material, parte de su energía se usa para que algunos electrones se desplacen a órbitas más altas y cuando vuelven a su órbita original, devuelven la energía en forma de calor. Esto es lo que ocurre en los materiales opacos, los que no permiten el paso de la luz o de las ondas de los celulares.

Un caso particular de la absorción de ondas electromagnéticas, es la que ocurre en los tejidos vivos, como es el caso de la absorción de las ondas de los celulares en el cuerpo humano. La medición de este tipo de absorción se denomina tasa de absorción específica (en inglés, y comúnmente, SAR, de specific absorption rate) y es una medida de la poten-cia máxima con que un campo electromagnético de radiofrecuencia es absorbido por el tejido vivo. Se define como la potencia absorbida por la masa de los tejidos y tiene unidades de vatios por kilogramo (W/kg). Se emplea para fre-cuencias entre 100 kHz y 100 GHz, es decir, radiación no ionizante, y en particular para teléfonos móviles y resonancia magnética.

Algunos gobiernos, basándose en el principio de precaución, han definido límites de seguridad para la exposición má-xima a la energía de radiofrecuencia procedente de teléfonos móviles. Estos límites en el SAR máximo que un teléfono móvil puede depositar están destinados a evitar hipotéticos daños relacionados con el incremento de temperatura que esa deposición de potencia pudiera provocar, ya que se recibe en su mayor parte en la cabeza o las extremidades.

En los Estados Unidos de América, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) exige que los teléfonos presenten un valor de SAR igual o inferior a 1,6 (W/kg) y mientras que la Unión Europea fija como límite 2 W/kg. Como límite de exposición para el cuerpo entero, se ha fijado un tope de 0,08 W/kg promediado en toda la masa corporal

Reflexión

La reflexión es el cambio de dirección de una onda, que, al entrar en contacto con la superficie opaca, regresa al punto donde se originó. La reflexión de una onda se produce de tal manera que el ángulo con el que incide es igual al ángulo con el que se refleja.

Cuando se trata de un conjunto de varias ondas que viajan juntas y todas inciden simultáneamente en una superficie, cada onda se va a reflejar según esta relación entre los ángulos de entrada y de salida. Sin embargo, el conjunto total va a tener deferente comportamiento según sea la superficie en la que se refle-ja. Si la superficie es pulida y completamente lisa, todo el conjunto de ondas se mantendrá junto y la refle-xión se llama especular, en cambio si la superficie es rugosa, se presentan múltiples superficies pequeñas y cada una con su propia inclinación. Cada onda que incide sobre ella seguirá teniendo el mismo comporta-miento al rebotar en ella, pero el conjunto de las ondas se va a dispersar. En este caso se denomina refle-xión difusa o difusiva.

Reflexión especular Reflexión difusa


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Refracción

La refracción es el cambio de dirección y velocidad que experimenta una onda al pasar de un medio trasparente a otro con distinta densidad. La relación numérica entre las densidades de ambos medios es proporcio-nal a la relación entre los ángulos de incidencia y de refracción.

El fenómeno de la refracción se observa en todo tipo de ondas. En el caso de las ondas de radio, la refracción es especialmente importante en la ionosfera, en la que se producen una serie continua de refracciones que permiten a las ondas de radio viajar de un punto del planeta a otro.

Interferencia

La interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultan-te de mayor, menor o igual amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en todos los tipos de onda, como ondas de luz, radio, sonido, entre otros. La onda resultante es la suma de las funciones de las ondas que se están superponiendo. Cuando la resultante tiene mayor amplitud se denomina interferencia constructiva y cuando es menor se denomina interferencia destructiva.

En las figuras adjuntas se representa la evolución de dos estados de vibración transmitidos a un punto cuando es alcanzado por dos ondas armónicas de la misma frecuencia. En el caso representado por el dibu-jo situado más a la izquierda los estados de vibración (violeta y verde) llegan al punto en fase y el resultado de su superposición es una vibración (azul) de mayor intensidad. En ese punto tiene lugar una interferencia constructiva. En el otro dibujo las vibraciones llegan en oposición de fase (fuera de fase) y el resultado de su superposición es una vibración de menor intensidad (podría ser nula). Se produce una interferencia des-tructiva.

Es muy poco frecuente que las ondas se generen en forma única, sino que se producen varias ondas simul-táneamente que se mueven en conjuntos o paquetes de ondas. Cuando percibimos estos paquetes de on-das con nuestros oídos o con nuestros ojos, no podemos distinguir las ondas individuales sino que percibi-mos el conjunto como una unidad. Esa unidad que percibimos es la resultante de la interferencia de las ondas.

Esta resultante es la que nos permite distinguir la voz de un varón de la de una mujer, o los sonidos produ-cidos por un violín de los de un saxofón. En el caso del sonido, a este conjunto particular de cada instru-mento se lo conoce como timbre.

Este mismo efecto se observa en el caso de la luz, ya que las lámparas emiten un conjunto particular de ondas de colores según los materiales con los que están constituidas. Ese conjunto de ondas las distingui-mos como luces “cálidas” o “frías” dependiendo de los colores que las constituyen.


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El sonido

El sonido es la sensación que registramos cuando nuestros oídos perciben variaciones en la presión del aire que llega a nuestros tímpanos y es causada por la estimulación de los receptores localizados en el caracol o cóclea del oído interno.

El sonido es un tipo de ondas mecánicas longitudinales producidas por variaciones de presión del medio generadas por un movimiento vibratorio de una fuente, como por ejemplo la vibración de un motor, de las alas de un insecto o del cono de un parlante.

El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas mecánicas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el mo-vimiento vibratorio de un cuerpo.

La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se produ-cen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal.

El sonido tiene una velocidad de 331,5 m/s cuando la temperatura es de 0 °C y de 344,2 m/s cuando la tempe-ratura es de 20 °C. Aunque depende muy poco de la presión del aire. La velocidad del sonido depende del tipo de material. Cuando el sonido se desplaza en los sólidos tiene mayor velocidad que en los líquidos, y en los líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que las partículas en los sólidos están más cercanas. En la tabla adjunta se muestran otros ejemplos de la veloci-dad de sonido en diversos materiales.

La frecuencia de un sonido viene determinada por la velocidad de vibración de la fuente del sonido. Las varia-ciones en la frecuencia generan modificaciones del tono del sonido, es decir que indica si el sonido es grave, agu-do o medio. Cuanto mayor es la velocidad de vibración de la fuente, mayor es la frecuencia y el sonido que se percibe es más agudo. Por el contrario, cuanto menor es la velocidad de vibración de la fuente, menor es la fre-cuencia y el sonido que se percibe es más grave.

Para que los humanos podamos percibir un sonido, éste debe estar comprendido dentro del rango de audi-ción de 20 Hz a 20.000 Hz. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasoni-dos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible o campo auditivo. Cuanta más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos, pero especialmente en agudos.

La intensidad es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido, es decir, lo fuerte o suave de un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil.

La intensidad física del sonido es la presión que se genera por la vibración de la fuente. Cuanto mayor sea el desplazamiento de la superficie vibra, mayor será la compresión que generará en el aire porque dará golpes más fuertes. En cambio si la superficie se desplaza muy poca distancia en su vibración, la compresión del aire será menor y tendrá menor intensidad.

ESTADO MEDIO VELOCIDAD DEL SONIDO

Gaseoso Aire (20°C) 340 m/s

Hidrógeno (0°C) 1286 m/s

Oxigeno (0°C) 317 m/s

Helio (0°C) 972 m/s

Liquido Agua (25°C) 1493 m/s

Agua de mar (25°C) 1533 m/s

Sólido Acero 5100 m/s

Madera 3900 m/s

Cobre 3560 m/s

Hierro 5130 m/s

Plomo 1322 m/s

Caucho 54 m/s

Vacío Vacío 0 m/s


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Estas variaciones de la intensidad a causa las variaciones de la compresión son independientes de la fre-cuencia del sonido. Es decir que se puede tener diferentes intensidades aun cuando no se modifique el tono.

La intensidad auditiva es un parámetro diferente que se refiere a la percepción humana de la presión sono-ra y se conoce como nivel de presión sonora (NPS). Se fundamenta en la ley psicofísica de Weber-Fechner, que establece una relación logarítmica entre la inten-sidad física del sonido que es captado, y la intensidad física mínima audible por el oído humano.

El NPS determina la intensidad del sonido que genera una presión sonora (es decir, del sonido que alcanza a una persona en un momento dado), se mide en deci-belios (dB) y varía entre 0 dB umbral de audición

(equivalente a un sonido con una presión de 20 Pa o 0,0002 Pa o 20x10–5 Pa) y 140 dB umbral de dolor (equivalente a un sonido con una presión de 20.000 MPa o 20x109 Pa). Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB) en honor al científico e inventor Alexander Graham Bell.

Resonancia

La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración se acerca al periodo de vibración característico de dicho cuerpo, en el cual, una fuerza relativamente pequeña aplicada en forma repetida hace que una amplitud de un sistema oscilante se haga muy grande.

Se denomina periodo de vibración característico a aquella frecuencia característica de un cuerpo o un sis-tema que alcanza el grado máximo de oscilación. Todo cuerpo o sistema tiene una, o varias, frecuencias características. Cuando un sistema es excitado a una de sus frecuencias características, su vibración es la máxima posible. El aumento de vibración se produce porque a estas frecuencias el sistema entra en reso-nancia. En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del movimien-to tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza. En teoría, si se consiguiera que una pequeña fuerza sobre un sistema oscilara a la misma frecuencia que la frecuencia natural del sistema se produciría una oscilación resultante con una amplitud indeterminada.

Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos como el vaso que se rompe cuando una soprano canta y alcanza y sostiene la frecuencia de resonancia del mismo. Por la misma razón, no se permi-te el paso por puentes de tropas marcando el paso, ya que pueden entrar en resonancia y derrumbarse.

NPS Ejemplos

200 dB Bomba atómica

180 dB Cohete en despegue

140 dB Umbral del dolor

130 dB Avión en despegue

120 dB Motor de avión en marcha

110 dB Concierto / acto cívico

100 dB Perforadora eléctrica

90 dB Tráfico / Pelea de dos personas

80 dB Tren

70 dB Aspiradora

50/60 dB Aglomeración de gente / Lavaplatos

40 dB Conversación

20 dB Biblioteca

10 dB Respiración tranquila

0 dB Umbral de audición

Comparación en la amplitud de la onda generada por dos superficies vibrantes con distinta intensidad. La figura de la izquierda muestra una superficie que tiene poco desplazamiento y por ello genera menor compresión del aire. La figura de la derecha muestra una super-ficie que tiene mucho desplazamiento y por ello genera mayor compresión del aire.


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Una forma de poner de manifiesto este fenómeno consiste en tomar dos diapasones capaces de emitir un sonido de la misma frecuencia y colocados próximos el uno del otro, cuando hacemos vibrar uno, el otro emite, de manera espontánea, el mismo sonido, debido a que las ondas sonoras generadas por el primero presionan a través del aire al segundo.

Para ver ejemplos este fenómeno consultar los siguientes enlaces

Resonancia: Puente de Takoma

http://www.youtube.com/watch?v=RdW80Ui9F4g

Documental

http://www.youtube.com/watch?v=m2Y-RRo1NIg

Explicación

http://www.youtube.com/w

atch?v=MHlICTWMBMs

En el ámbito de la seguridad e higiene del trabajo, es importante considerar las frecuencias naturales de distintas partes del cuerpo porque éstas pueden entrar en resonancia con maquinarias, máquinas-herramienta, vehículos, etc. En la figura se muestra algunas frecuencias naturales del cuerpo. En caso de que alguna de estas resonara con una vibración, podría lesionarse fácilmente.

Las vibraciones producidas por las máquinas generalmente no tienen una frecuencia determinada, sino que son una mezcla de vibraciones de diversas frecuencias. En Higiene Industrial tienen interés las vibraciones cuyas frecuencias están comprendidas entre 1 y 1.500 Hz. La vibración ocasiona movimientos y desplazamientos relativos en el organismo. Si la frecuencia de vibración es inferior a 3 Hz, el cuerpo se mueve como una unidad, y los efectos adversos experimentados van asociados a enfer-medades de movimiento. A medida que aumenta la fre-cuencia de la vibración, varias partes del cuerpo tienden a responder en forma diferencial a las fuerzas fluctuantes. Las frecuencias comprendidas en el rango de 4 a 12 Hz, por ejemplo, harán que las caderas, hombros y partes abdominales comiencen a resonar produciendo una ampli-ficación de la respuesta a la vibración. La dirección de la vibración y la posición de la persona (sentada o parada), tendrán influencia sobre la cantidad, al igual que sobre las frecuencias específicas de la resonancia de estas partes del organismo. Entre 20 y 30 Hz el cráneo comenzará a resonar, lo que produce un deterioro de la agudeza visual. Una perturbación similar ocurriría entre los 60 y 90 Hz, cuando los globos oculares muestran una tendencia a resonar con las fuerzas vibratorias. El efecto Doppler

El efecto Doppler es un fenómeno físico donde un aparente cambio de frecuencia de onda es presentado por una fuente de sonido con respecto a su observador cuando esa misma fuente se encuentra en movi-miento. Este fenómeno lleva el nombre de su descubridor, Christian Andreas Doppler, un matemático y físico austríaco que presentó sus primeras teorías sobre el asunto en 1842.





http://www.youtube.com/watch?v=MHlICTWMBMs

http://www.youtube.com/watch?v=MHlICTWMBMs


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Seguramente más de una vez hayas escuchado la sirena de un coche policía o de una ambulancia pasar frente a ti. Cuando el sonido se encuentra a mucha distancia y comienza a acercarse es sumamente agudo hasta que llega a nosotros. Cuando se encuentra muy cerca de nosotros el sonido se hace distinto, lo escu-chamos como si el coche estuviera parado. Luego cuando continúa su viaje y se va alejando lo que escu-chamos es un sonido mucho más grave.

El efecto Doppler no es simplemente funcional al sonido, sino también a otros tipos de ondas, aunque los humanos tan solo podemos ver reflejado el efecto en la realidad cuando se trata de ondas de sonido. En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitu-des de onda más largas, desplazándose hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectróme-tros. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, sí sería apreciable de forma directa la variación de longitud de onda.

Una explicación detallada se puede ver en https://www.youtube.com/watch?v=slBczgRNwU8

Ondas con el móvil detenido

Compresión de las ondas con el móvil en marcha

Fenómenos de reflexión

La reflexión del sonido es el rebote de una onda de sonido en una superficie dura. El sonido que llega al obstáculo se llama sonido incidente y el sonido que se devuelve es el sonido reflejado. Cuando un sonido se refleja, generalmente cambia de dirección en que se propaga y pierde una cantidad de energía. La reflexión varía según la naturaleza de material reflectante variando desde una reflexión especular, en la que todo el paquete de ondas sonoras se mantiene junto hasta una reflexión difusa, en la que las ondas sonoras refle-jadas se dispersan.

Cuando emitimos un sonido frente a una superficie reflectante próxima a nosotros, percibimos la onda emitida y la reflejada, pero no las podemos distinguir, ya que nuestro oído es incapaz de distinguir dos so-nidos que nos llegan con una diferencia de tiempo menor que una décima de segundo. En cambio, percibi-remos un sonido diferenciado si la reflexión se produce a más de 17 m de nosotros, ya que entonces el recorrido total de la onda será de al menos 34 m y, como el sonido se propaga en el aire a unos 340 m/s, la diferencia de tiempo para las ondas emitida y reflejada será al menos de 0,1 segundo.

Esa distancia límite es la que separa el fenómeno del eco de otro fenómeno llamado reverberación. En el caso del eco, el sonido reflejado llega al oyente con un tiempo mayor a 0,1 segundos luego de haber emiti-do el sonido. Esto se puede percibir en cuevas o cavernas de más de 17 m de profundidad, en las que luego de producir un sonido, se escucha el sonido reflejado varias veces.

En cambio, si las superficies reflectantes están a menos de 17 m, como ocurre en ambientes de actividad laboral y cultural, se produce la reverberación. En este caso no se distinguen claramente los sonidos refle-jados del emitido y se percibe una permanencia del sondo cada vez con menor intensidad.

https://www.youtube.com/watch?v=slBczgRNwU8


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En la imagen de la derecha se muestra la llegada del sonido directo al oyente y también la llegada de soni-dos reflejados una y dos veces. Los sonidos reflejados van perdiendo intensidad en cada reflexión y, dado que recorren mayor distancia antes de llegar al oyente, llegan retrasados con respecto al sonido directo. En la imagen de la derecha se muestran los sonidos que van llegando al oyente, cada vez con menor intensi-dad y cada vez más demorados. El fenómeno de la reverberación debe ser tenido en cuenta al diseñar un espacio de trabajo. En algunos casos para disminuirlo y en otros para aumentarlo.

En los ambientes donde se debe aumentar y controlar es en los ambientes dedicados a espectáculos, conferencias, ense-ñanza, capacitaciones, etc. para disminuir el efecto de fatiga auditiva de los espectadores, alumnos o asistentes debido a la sensación de estiramiento del sonido. Este acondicionamiento acústico se realiza regulando la reverberación por medio de paneles que dirijan el sonido a los oyentes que se encuentran más lejos y con materiales absorbentes o deflectores del soni-do para disminuir la reverberación excesiva.

Cuando es necesario disminuir al máximo la reverberación, tal como ocurre en los estudios de grabación, estudios de radio y salas donde hay maquinarias, se utilizan espumas que absorben el sonido. Estas espu-mas se colocan en las paredes y techos. En el caso particular de necesitar eliminar por completo la reverbe-ración, se cubren por completo las paredes, pisos y techos. A estos ambientes especiales se los llama salas anecoicas.

En los siguientes enlaces se pueden ver algunas aplicaciones de adecuaciones acústicas

https://www.youtube.com/watch?v=EB5f-MUQ9r0

https://www.youtube.com/watch?v=j4epcWcqa18

https://www.youtube.com/watch?v=XKHVlpJ4uNc








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La luz y el espectro electromagnético

La luz es la sensación que registramos cuando nuestros ojos perciben ondas electromagnéticas estimulando a los receptores localizados en la retina.

Para que los humanos podamos percibir las ondas electromagnéticas, éstas deben estar comprendidas dentro del rango visible de 400 THz a 790 THz. La unidad THz (Tera Hertz) corresponde a 1.000.000.000.000 Hz. Sin embargo, en el caso de las ondas electromagnéticas es más usual clasificarlas por su longitud de onda y no por su frecuencia. En este caso, el rango visible es de 750 nm a 380 nm.

En física, el término radiación electromagnética se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala es-pecíficamente la radiación en el espectro visible.

La luz es una onda electromagnética; es un campo eléctrico y magnético variante, que se propaga o mueve de un lugar a otro. La luz se comporta como una onda transversal.

El espectro electromagnético está constituido por todos los posibles niveles de energía que la luz puede tomar. Hablar de energía es equivalente a hablar de longitud de onda; luego, el espectro electromagnético abarca, también, todas las longitudes de onda que la luz pueda tener, desde miles de kilómetros (107 m) hasta femtómetros (10-15 m). Es por eso que la mayor parte de las representaciones esquemáticas del es-pectro suelen tener escala logarítmica.

La figura muestra la mayor parte del espectro electromagnético indicando la longitud de onda en metros de cada rango.

Los colores del arco iris en el espectro visible incluye todos esos colores que pueden ser producidos por la luz visible de una sola longitud de onda violeta azul verde amarillo naranja y rojo, los colores del espectro puro o monocromáticos. Los diferentes colores o tonos de la luz se corresponden con las diferentes fre-cuencias de las ondas. El espectro visible no agota los colores que el hombre es capaz de distinguir. Colores sin saturar como el rosa, o variaciones del púrpura como el magenta no pueden reproducirse con una sola longitud de onda. A pesar que el espectro es continuo no hay cantidades vacías entre uno y otro color, los rangos anteriores podrían ser usados como una aproximación.

violeta azul verde amarillo anaranjado rojo 380–450 nm 450–495 nm 495–570 nm 570–590 nm 590–620 nm 620–750 nm

Ninguna longitud de onda es blanca. La luz blanca está formada por una mezcla de muchos colores diferen-tes que se integran en nuestro cerebro produciendo la sensación del color blanco.

La amplitud de las ondas de luz es directamente proporcional al brillo de la luz. La amplitud de onda le con-fiere a un rayo luminoso, la intensidad luminosa o brillantez sin modificar el color. Esto significa que si un haz luminoso de un color determinado es más intenso o más brillante que otro del mismo color es porque la amplitud de onda del primero es mayor que la del segundo.


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Teoría del color

Fue Isaac Newton (1641-1727) quien tuvo las primeras evidencias (1666) de que el color no existe. Encerra-do en una pieza oscura, Newton dejó pasar un pequeño haz de luz blanca a través de un orificio. Interceptó esa luz con un pequeño cristal, un prisma de base triangular, y vio (percibió) que al pasar por el cristal el rayo de luz se descomponía y aparecían los seis colores del espectro reflejados en la pared donde incidía el rayo de luz original: rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta.

Explicó el fenómeno con la hipótesis de que la luz del sol contenía rayos diversos con distinta refractividad y que se percibían como colores si se los observaba por separado. Cuando estos rayos se mezclaban, el apa-rato visual percibía colores distintos de los percibidos cuando estaban separados.

Así, se pudo establecer que la luz blanca, presente en todas partes, está formada por luz de seis “colores”, y que cuando esa luz “choca” con algún cuerpo, éste absorbe alguno de dichos “trozos” y refleja otros. Los colores reflejados son los que percibimos (vemos) con nuestro sentido de la vista. 3

Ahora, con más propiedad, podemos decir que el color es una sensación que percibimos gracias a la exis-tencia y naturaleza de la luz y a la capacidad de nuestros órganos visuales para trasmitir dichas sensaciones al cerebro. De lo anterior, podemos colegir que el color de los cuerpos no es una propiedad intrínseca de ellos, sino que depende de la naturaleza de la luz que reciben.

El color que ofrece a nuestra mirada la superficie de los objetos (y de los pigmentos de ellos) depende de la luz que los ilumina. A la luz de la luna todo parece de un gris azulado más o menos oscuro debido a la me-nor intensidad luminosa. Un paisaje no tiene el mismo color al amanecer que al crepúsculo. Cada objeto es del color de la luz que refleja. Un objeto azul absorbe todo el espectro cromático excepto la zona azul de ese espectro. Una superficie amarilla reflejará las zonas verde y roja del espectro (la luz roja y verde combi-nadas crean la amarilla). Un objeto negro absorbe todas las zonas del espectro por igual; uno blanco, las refleja.

Las cosas en sí no tienen ningún color, son acromáticas. Nuestro cerebro asimila el color de la luz que se refleja en los objetos, como el color del objeto en sí.


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Efecto estroboscópico

El efecto estroboscópico es el efecto ilusorio de ver partes en mo-vimiento con una velocidad o frecuencia de movimiento diferente a la real a causa de la iluminación intermitente de la fuente de luz, pudiendo verlos con mayor o menor velocidad o completamente quietos y es fuente de riesgo de accidentes, especialmente en am-bientes laborales.

De la teoría del color, se desprende un concepto un poco más bási-co y es que para que se pueda ver un objeto, debe estar iluminado. Es decir que la luz que llega a nuestros ojos, es la que salió de una fuente luminosa y se reflejó en el objeto que estamos viendo. Pero sólo lo podemos ver mientras está sien-do iluminado y si la fuente luminosa fuera una luz parpadeante, sólo se podría ver al objeto en forma in-termitente.

La frecuencia de los parpadeos de la fuente luminosa tiene distintos efectos sobre nuestra percepción se-gún el rango en que se efectúe.

1 – 20 Hz cambios suaves que apoyan la concentración 20 – 100 Hz desvían la atención, serias molestias. Utilizado para torturar. Pueden ocasionar daños

graves en personas 100 – 400 Hz son perceptibles, sobretodo en la visión periférica 400 – 600 Hz reducen la resolución y el enfoque del ojo humano Mayores a 600Hz reducen la habilidad de juzgar la velocidad correctamente

La corriente eléctrica llega con una frecuencia de 50 Hz, esto significa que cambia de intensidad 50 veces por segundo, pasando 2 veces por cero a cada ciclo, lo que quiere decir que cada segundo hay 100 peque-ños periodos sin suministro eléctrico. El filamento de tungsteno que tiene una lámpara incandescente no deja de emitir radiación inmediatamente, si no que se va atenuando según pasa el tiempo, lo suficiente-mente lento como para nunca llegar a apagarse. Con los tubos fluorescentes, la señal alterna hacen que el tubo se apague por completo 100 veces por segundo. Las características de diseño de un LED hacen que la frecuencia de red no repercuta en la salida del mismo y no presenta parpadeo.

También existen fuentes luminosas con parpadeo variable a las que, por medio de un selector se les puede regular la frecuencia de parpadeo. A estas fuentes se las llama estroboscopios o luces estroboscópicas.

Si tenemos un objeto que está girando a X revoluciones por minuto y regulamos la frecuencia del estrobos-copio a X destellos por minuto (es decir, a la misma velocidad) e iluminamos el objeto giratorio, éste, al ser iluminado siempre en la misma posición, aparecerá a la vista como inmóvil. Si la frecuencia de los destellos no coincide exactamente con la de giro, pero se aproxima mucho a ella, veremos el objeto moverse lenta-mente, adelante o atrás según que la frecuencia de destello del estroboscopio sea, respectivamente, infe-rior o superior a la de giro.

Este principio es usado para el estudio de objetos en rotación o vibración, como las cuerdas vibratorias, las partes de máquinas y motores de diversas clases, sin necesidad de efectuar acoplamiento eléctrico o me-cánico alguno. Este mismo efecto, llamado efecto estroboscópico, se puede conseguir con una lámpara de descarga como los tubos fluorescentes mencionados antes.


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Para ver ejemplos este fenómeno consultar los siguientes enlaces

Medición y visualización con lámpara estroboscópica

https://www.youtube.com/watch?v=KXcyzfRVBH4

Cómo Usar Una Pistola Estroboscópica.

https://www.youtube.com/watch?v=caqe3OxoSD0

Gotas de agua levitantes.

https://www.youtube.com/watch?v=qFXIhrDc6Rw

Efecto estroboscópico en un helicóptero.

https://www.youtube.com/watch?v=rz0wexyeukg

Esculturas con efecto de detenimiento.

https://www.youtube.com/watch?v=EidMn79Gr8M

Efecto estroboscópico en publicidad.

https://www.youtube.com/watch?v=FG_l1oacWoQ

https://www.youtube.com/watch?v=KXcyzfRVBH4

https://www.youtube.com/watch?v=caqe3OxoSD0

https://www.youtube.com/watch?v=qFXIhrDc6Rw

https://www.youtube.com/watch?v=rz0wexyeukg

https://www.youtube.com/watch?v=EidMn79Gr8M

https://www.youtube.com/watch?v=FG_l1oacWoQ

Física 2 Instituto Superior Octubre. Tecnicatura Superior en Higiene y Seguridad en el trabajo. Unidad 2. Óptica Guía 2. Fotometría

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Fotometría Mientras que la Radiometría se encarga de la medi-da de la luz en términos de potencia absoluta, la Fotometría es una parte de la óptica que trata de las leyes relativas a la intensidad de la luz y de los métodos para medirla en relación con la visión hu-mana. Es decir, estudia la capacidad que tiene la radiación electromagnética de estimular el sistema visual.

Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos sólo a la potencia consumida por la bombilla de la cual solo una parte se convierte en luz visible, es el llamado flujo luminoso. El resto se pierde en radia-ciones no visibles al ojo humano, como la radiación IR y la UV, y en otras formas de energía como el calor que produce la bombilla, que es más notorio en las lámparas incandescentes. Podríamos medirlo en watts (W), pero habría que establecer el porcen-taje o la fracción de energía que se transforma en luz para cada bombilla.

Si bien la energía se mide en Joules (J) en el Sistema Internacional y la luz es una forma de energía, en fotometría sólo interesa la cantidad de energía que sirve para iluminar un ambiente o una superficie de trabajo. La iluminación efectiva que se obtiene de-pende de varios factores: la cantidad de luz que emite la lámpara, el tipo de luz que emite, la forma en que se distribuye a causa del diseño de la lumi-naria, el tipo de material de la superficie iluminada, la cantidad de luz extra del ambiente, etc.

Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y para ello definiremos nuevas magnitudes: el flujo lumi-noso, la intensidad luminosa, la iluminancia, la lu-minancia, el rendimiento o eficiencia luminosa y la cantidad de luz.

Magnitudes ópticas subjetivas

En radiometría, el flujo radiante es la medida de la potencia de una radiación electromagnética (inclu-yendo los infrarrojos, ultravioletas y la luz visible). Es la energía que transportan las ondas por unidad de tiempo. Esta potencia puede ser la total emitida por una fuente o la total que llega a una superficie determinada. La unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI) para el flujo radiante es el Watt (W), que indica la energía por unidad de tiempo o, utilizando unidades del SI, los julios por segundo.

El flujo luminoso () es la medida de la potencia luminosa percibida. Difiere del flujo radiante, la medida de la potencia total emitida, en que el flujo luminoso sólo toma en cuenta la radiación del es-pectro visible. Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen (lm). El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. El flujo lumino-so depende exclusivamente de la fuente lumínica.

Tipo de lámpara Valores

incandescente de 100W 1380 lm

fluorescente de 36W 3250 lm

mercurio alta presión de 400 W 22000 lm

de luz mezcla 250W 5600 lm

de sodio a baja presión de 35 W 4800 lm

de sodio a alta presión de 400W 47000 lm

halogenuro metálico de 250W 17000 lm

En fotometría, la intensidad luminosa (I) se define como la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente por unidad de ángulo

sólido () (ver figura), esto es sólo un sector de la esfe-ra luminosa emitida. Su uni-dad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es la candela (cd).

intensidad luminosa (I) = flujo luminoso ()

ángulo sólido ()

La intensidad depende de la fuente lumínica y del diseño de la luminaria. La distribución luminosa de la intensidad varía en función de los distintos tipos de ampollas, casquillos, etc. y por con el uso de luminarias se podrá dirigir la intensidad en la direc-ción que más convenga.

Tipo de lámpara Valores

de faro de bicicleta sin reflector 1 cd

reflectora 250 cd

PAR-64 200000 cd

Faro marítimo 2000000 cd

Se define Iluminación (E) como el flujo luminoso recibido por unidad de superficie. Su unidad el Lux (lx) que es 1 lm/m2. Dado que esta es la cantidad de luz que se recibe por unidad de superficie, se trata


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1 m 1 m 1 m 1 m

2 m 2,24 m 2,83 m 3,61 m 4,47 m

de la iluminación media (E½) que proporciona la fuente.

Iluminación (E½) = flujo luminoso ()

superficie iluminada

Ejemplo Valores

Mediodía de verano al aire libre con

cielo despejado

100.000 lx

Mediodía de verano al aire libre con

cielo cubierto

20.000 lx

Fabricación de joyas, trabajo con pie-

dras preciosas

1500 lx

Alumbrado público 20-40 lx

Noche de luna llena 0,25 lx

La iluminación depende de la fuente lumínica, del diseño de la luminaria y también de la distancia a la que se encuentra la superficie que hay que iluminar. Cuanto mayor sea la distancia, menor será la ilumi-

nación. Ésta pérdida de iluminación es proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente y la su-perficie.

Ilustración de la pérdida de iluminación a causa de la distancia

Esta proporción se conoce como Ley de los cuadrados o Ley de los cuadrados inversos. Sin embargo, esta consideración también es válida a medida que nos alejamos de la fuente por una superficie horizontal.

La iluminación se relaciona con la intensidad de la fuente del siguiente modo:

Iluminación (E) = Intensidad (I)

Cos altura2 (h2)

Esta será la iluminación puntual (Ep) sobre un punto determinado de la superficie que se ilumina.

h = altura del foco a la superficie d = distancia del foco a la superficie iluminada

= ángulo formado entre h y d L = distancia desde la perpendicular del foco y la

superficie iluminada

Pero dado que cos = ad/H, entonces

E p = I

* h

y simplificando queda E p = I

h2 d h * d

Cuando = 0° queda la ecuación anterior porque la distancia es igual a la altura. Si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminación total es la suma de las iluminaciones recibidas.

d

h

L

Foco luminoso

Superficie iluminada


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Ejercicios

1) Una lámpara suministra un flujo luminoso de 20 lm ¿Cuál es el área iluminada con 0.4 lux?

Rta: 50 m2

2) Una superficie de 10 m2 recibe una iluminación de 10 lux por medio de una fuente plana. ¿Cuál es el flujo luminoso que llega a esa superficie?

Rta: 100 lm

3) Calcular la iluminación media de una habitación de 3 m de ancho, 4 m de largo y 2,5 m de alto con una lámpara de 450 lm si la luminaria ilu-mina a) sólo al piso b) la pared más grande c) el piso y todas las paredes

Rta: a) 37,5 lux b) 45 lux c) 9,57 lux

4) ¿Qué flujo luminoso tendrá una lámpara que tiene 561 lux sobre una mesa circular de 1,43 m de diámetro?

Rta: 901 lm

5) Una lámpara de 75 w con una eficiencia de 11,5 lm/w se ubica a 2,5 m de altura en una habita-ción de 3 m x 4 m. ¿Qué iluminación producirá dicha lámpara si ilumina solamente el piso?

Rta: 71,88 lux

6) ¿A qué distancia de una pantalla se encuentra una lámpara de 40 cd que ilumina la superficie con una luminancia de 4,5 lux?

Rta: 2,98 m

7) Una luminaria ilumina con 20 lux a área de 0,5 m2 de una pantalla. ¿Cuál será la iluminación si la luminaria se cambia por otra que ilumina un área de 2,0 m2?

Rta: 5 lux

8) Una lámpara situada a 3 m de altura en el cen-tro de una pista circular de 8 m de diámetro produce una iluminación de 6 lux sobre el borde de la pista. Calcular la intensidad de la lámpara.

Rta: 90 cd

9) Una lámpara de 500 cd se encuentra a 2 m de altura en el centro de una mesa circular de 120 cm de diámetro. Calcular la iluminación que re-cibe: a) El centro de la mesa. b) Cada uno de los puntos del borde de la

misma. Rta: a) 125 lux b) 120 lux

10) Una lámpara incandescente de 160 cd está ubi-cada a 80 cm de altura sobre una mesa circular de 1,2 m de diámetro. Calcular la iluminación máxima y mínima sobre la mesa.

Rta: máxima: 250 lux; mínima: 200 lux

11) Una luminaria de 90 cd ilumina una superficie a 1,25 m de altura. Calcular a qué distancia habrá que poner la luminaria para mantener la misma iluminación si la lámpara se reemplaza por otra de

a) 180 cd b) 135 cd c) 45 cd Rta: a) 1,77 m b) 1,53 m c) 88,5 cm

12) Una luminaria de 1,2 m altura con una lámpara de 100 cd se reemplaza por otra de 80,5 cm de altura. ¿Qué intensidad debería tener la lámpa-ra de la nueva luminaria para que se mantenga la misma iluminación?

Rta: 45 cd

13) Una lámpara de 10 cd está a 60 cm de altura sobre una mesa. ¿A qué altura habría que colo-car un foco luminoso de 30 cd para que la ilu-minación fuera el doble que la de la lámpara?

Rta: 73,5 cm

14) Dos lámparas de 10 cd cada una se hallan a 2 m de altura sobre una mesa y a 6 m de distancia entre sí. Calcular la iluminación que recibe en el punto de la mesa que equidista de las lámparas. (ver esquema a continuación)

Rta: 2,77 lux

15) Dos lámparas de 65 cd cada una, están separa-das por 4 m y ubicada a una altura de 3 m sobre la superficie de una mesa. Calcular la ilumina-ción que recibe la mesa en un punto: a) equidistante de ambas lámparas. b) que queda bajo cada lámpara.

Rta: a) 12 lux b) 11,6 lux


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16) Una superficie recibe 1000 lux en total al estar iluminada por una lámpara de 20 cd ubicada a 20 cm y otra de mayor intensidad ubicada a 60 cm. ¿Cuál es la intensidad de la segunda lámpa-ra?

Rta: 180 cd

17) Un cartel está iluminado por una luminaria de 500 cd a 2,5 m de distancia. La luminaria se re-emplaza por otra ubicada a 1,5 m de distancia. Calcular la intensidad que deberá tener la nueva luminaria para que el cartel tenga el doble de iluminación.

Rta: 360cd

18) Se desea iluminar una habitación de 3,5 m an-cho, 4 m de largo y 2,5 m de altura de manera tal que el flujo luminoso sea de 400 a 410 lm. ¿Cuántas lámparas de 30 cd uniformemente distribuidas en el techo de la habitación serán necesarias?

Rta: 6 lámparas

19) Se desea iluminar una mesa redonda de 1 m de diámetro con un mínimo de 390 lm y un máxi-mo de 440 lm con lámparas de 50 cd colocadas uniformemente a 1,9 m de altura. a) ¿Qué iluminación recibirá la mesa? b) ¿Cuántas lámparas habrá que colocar?

Rta: a) 497 lux y 561 lux b) entre 36 y 40

20) Una mesa circular de 1,8 m de diámetro debe recibir un máximo de 750 lux en los bordes des-de una luminaria central con lámparas de 130 cd colocada a 1,7 m de altura. ¿Cuántas lámpa-ras deberá tener la luminaria?

Rta: 18 lámparas

21) Un escritorio de 60 cm de largo por 90 cm de ancho está iluminado por una fuente plana de 300 lm y 270 cd. Calcular a) La iluminación del escritorio. b) La altura deberá que deberá tener la lumi-

naria. Rta: a) 556 lux b) 0,697 m

f2. guia 1. acustica...las ondas. para ello se parte de una modelización de los movimientos...

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