“PLACAS DE CHLADNI” [Reporte de Práctica]
Catalán Vielma Aldo
Ing !"#aldo $arc%a De&' Proce"amiento de Se(ale" )iom*dica" +, C-atrime"tre Ing )iom.dica
INTRODUCCIÓN ACÚSTICA
Se denomina acústica la parte de la Física que estudia los fenómenos que percibe el sentido del oído y que se denomina ruidos o sonidos. Los ruidos corresponden a percepciones auditivas breves, o por lo menos descontinúas; los sonidos dan una sensación de continuidad, permaneciendo durante cierto tiempo idéntico así mismos, y les corresponde una sensación musical particular.
SONIDO El sonido es la vibración de un medio elstico, bien sea !aseoso, líquido o sólido. "uando nos referimos al sonido audible por el oído #umano, estamos #ablando de la sensación detectada por nuestro oído, que producen las rpidas variaciones de presión en el aire por encima y por deba$o de un valor esttico. Este valor esttico nos lo da la presión atmosférica %alrededor de &''.''' pascals( el cual tiene unas variaciones peque)as y de forma muy lenta, tal y como se puede comprobar en un barómetro. "uando las rpidas variaciones de presión se centran entre *' y *'.''' veces por se!undo %i!ual a una frecuencia de *' + a *' -+( el sonido es potencialmente audible aunque las variaciones de presión puedan ser a veces tan peque)as como la millonésima parte de un pascal. Los sonidos muy fuertes son causados por !randes variaciones de presión, por e$emplo una variación de & pascal se oiría como un sonido muy fuerte, siempre y cuando la mayoría de la ener!ía de dic#o sonido estuviera contenida en las frecuencias medias %&-+ / -+( que es donde el oído #umano es ms sensitivo. El sonido lo puede producir diferentes fuentes, desde una persona #ablando #asta un altavo, que es una membrana móvil que comprime el aire !enerado ondas sonoras.
ONDAS INFRASONICAS Son ondas sonoras que tienen frecuencias por deba$o del umbral de sensibilidad #umano %*' +(. El estudio de los infrasonidos se centra en la atenuación y0o eliminación de frecuencias per$udiciales para la salud o el bienestar. Fuentes arti1ciales !eneradoras de infrasonidos pueden ser motores, sistemas de ventilación o sistemas de calefacción y fuentes naturales, las tormentas, terremotos, fuertes vientos, volcanes y, en !eneral, todo fenómeno que supon!a movimiento de una !ran masa. 2odemos de1nir los infrasonidos como las vibraciones de presión cuya frecuencia es inferior a la que el oído #umano puede percibir; es decir entre ' y *' +. 2ero, debido a que la mayoría de los aparatos electroacústicos utilian una frecuencia entre *' y 3' +, consideraremos también como infrasonidos a toda vibración con una frecuencia por deba$o de los 3' +.
ONDAS ULTRASONICAS Son ondas sonoras que tienen frecuencias por encima del umbral de sensibilidad #umana %*' #.(. Los ultrasonidos tienen multitud de aplicaciones4
en medicina %terapia, eco!rafía, etc.(, en oceano!rafía %medición de profundidades, detección de iceber!s, funcionamiento del sónar, etc.( en la industria y en teledirección, entre otras. Los ultrasonidos son aquellas ondas sonoras cuya frecuencia es superior al mar!en de audición #umano, es decir, *' + apro5imadamente. Las frecuencias utiliadas en la prctica pueden lle!ar, incluso, a los !i!a#ertios. En cuanto a las lon!itudes de onda, éstas son del orden de centímetros para frecuencias ba$as y del orden de micras para altas frecuencias.
ANTECEDENTES En &67', Ernst Florens Friedric# "#ladni, físico y músico alemn, repitió los e5perimentos de 8obert +oo-e, que, al pasar un arco de violín en el borde de una placa de vidrio cubierta con #arina, observó que ciertos patrones se fueron formando en la #arina. En su e5perimento, Ernst "#ladni utilió una placa rí!ida de metal con un poco de arena, y de nuevo un arco de violín en el borde de la placa, ocasionando que esta última vibrara. "ada ob$eto tiene una frecuencia natural. 9l crear una frecuencia armónica sobre la placa, "#ladni creó ondas estacionarias resonantes sobre ella. Ernst "#ladni es llamado el :padre de la acústica:. ebido a su estudio de la :placa de "#ladni<, se dio cuenta de la relación entre el sonido y las ondas. =ambién fue el primero en suponer que los meteoritos eran de ori!en e5traterrestre, al!o que fue considerado absurdo en el momento. Las ondas estacionarias resonantes tienen una lon!itud de onda similar a la lon!itud de onda de la placa, y una fracción entera de al!una de las dimensiones de la placa4 dia!onal, con el lado ms lar!o, el lado ms corto. "on esto, se crean re!iones donde la vibración es ms fuerte, y donde no #ay vibración al!una %esta última llamada nodos, donde se acumulan los !ranos de arena o #arina en el plato(.
OBJETIVOS •
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>ostrar los distintos modos de vibración de una super1cie elstica o sometida a una e5citación frecuencial. emostrar la relación entre el sonido y las ondas.
MATERIALES • • • • •
9mpli1cador de ba$a frecuencia 2laca de madera 0 metal Soporte base "ables de cone5ión 9rena
MONTAJE El soporte, que sirve como base de la placa sobre la cual se sitúa la arena, se une al ampli1cador de ba$a tensión mediante cables de cone5ión. e esta forma se #ace apreciable los diferentes patrones !eométricos formados sobre la placa tras la variación de la frecuencia en el ampli1cador. El dispositivo e5perimental utilia una placa metlica cuadrada. ?n altavo, activado por un soft@are !enerador de frecuencias, el cual #ace vibrar la placa a diferentes frecuencias. Se espolvorea arena sobre la placa de modo #omo!éneo. Se conecta el soft@are oscilador a la frecuencia de la computadora al altavo de manera adecuada y la arena comiena a moverse cuando la placa vibra, de modo que 1nalmente se reproduce el patrón de ondas estacionarias, dando lu!ar a las 1!uras.
DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS PLACAS DE CHLADNI Si se #ace vibrar la placa, en la que previamente se #abía que previamente se #abía colocado el aúcar, se observarn los patrones y líneas nodales que se forman sobre la misma, los cuales se corresponden con las onas y líneas donde la placa no vibra, es decir, los nodos de las ondas estacionarias que se forman en la placa, y por tanto en ellos se producir una acumulación de aúcar. Se visualian así los diferentes modos de vibración de la placa. "uando se #ace vibrar la placa a cierta frecuencia, empiean a via$ar ondas a través de ella. "uando estas ondas lle!an al 1nal de la placa rebotan y se suman con las ondas que vienen del centro. Esto provoca lo que se conoce
como :onda estacionaria< es decir, es una onda que no :via$a<, y solo #ace sus perturbaciones en ciertos puntos. Lo que #ace la arena o cualquier cosa !ranular 1na que le pon!an, es irse a los puntos donde #ay menos movimiento, que se conocen como líneas nodales.
ARMADO FÍSICO
RESULTADOS
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CONCLUSIONES 2ese a que la placa cuadrada mostró tener irre!ularidades, se pudieron observar 1!uras !eométricas que forman parte de los patrones reportados por "#ladni. Efectivamente, el espesor, la ri!ide y la forma de la placa son factores que afectan los patrones que pueden !enerarse. =ambién se pudo observar claramente que el nivel de comple$idad de los patrones formados aumentaba $unto con la frecuencia. Btro problema que se observó fue que la mesa de traba$o también entraba en resonancia con al!unas frecuencias, lo que pudo ocasionar que e5istieran interferencias con la placa. 2uede que las !uras observadas que no se asociaron nin!ún patrón observado por "#ladni correspondieran a la frecuencia donde la mesa y la placa entraban en resonancia simultneamente, pero también puede que correspondiera a las irre!ularidades de la placa, como valles, cambios de densidad o al!una otra imperfección. 9l interactuar con este tipo de fenómenos, podemos darnos cuenta que realmente las vibraciones tiene la cualidad de afectar a la materia. Esto tal ve sea un indicio de que las ondas tienen que ver con la forma de los ob$etos. ?no de los patrones obtenidos por "#ladni en sus e5perimentos, se aseme$a a la forma del receptculo del !irasol, el cual tiene relación con la espiral dorada y la serie de Fibonacci. =ambién se concluye que para placas con super1cie mayor, requerirn una frecuencia ms alta aquella, a diferencia de las de menor !rosor. Esto debido a que la densidad es un factor clave en la obtención de patrones nodales. "ada uno de los modos de vibración que observamos se presenta en una frecuencia que es múltiplo de la primera o de la ms !rave; casi como ocurre en un instrumento musical.