La física de las ondas abarca una amplia gama de fenómenos, desde las ondas cotidianas como el agua, hasta la luz, el sonido e incluso a nivel subatómico, donde las ondas describen el comportamiento de partículas como los electrones. Todas estas ondas exhiben propiedades similares y tienen las mismas características clave que describen sus formas y comportamiento.

Una de las propiedades más interesantes de una onda es la capacidad de formar una "onda estacionaria". Aprender sobre ese concepto en los términos familiares de las ondas sonoras, le ayuda a comprender el funcionamiento de muchos instrumentos musicales, así como a establecer algunas bases importantes para cuando aprenda sobre las órbitas de los electrones en la mecánica cuántica.
Sound Waves

El sonido es una onda longitudinal, lo que significa que la onda varía en la misma dirección en la que viaja. Para el sonido, esta variación se presenta en forma de una serie de compresiones (regiones de mayor densidad) y rarefacciones (regiones de menor densidad) en el medio a través del cual viaja, como el aire o un objeto sólido.

El hecho de que una onda de sonido sea longitudinal significa que las compresiones y las rarefacciones golpean el tímpano una tras otra, en lugar de múltiples "longitudes de onda" que lo golpean al mismo tiempo. La luz, por el contrario, es una onda transversal, por lo que la forma de onda está en ángulo recto con respecto a la dirección en que viaja.

Las ondas de sonido son creadas por oscilaciones, ya sean de las cuerdas vocales, la cuerda vibrante de una guitarra. (u otras partes oscilantes de instrumentos musicales), un diapasón o un montón de platos que se estrellan contra el suelo. Todas estas fuentes crean compresiones y rarefacciones correspondientes en el aire que las rodea, y esto viaja como sonido (dependiendo de la intensidad de las ondas de presión).

Estas oscilaciones necesitan viajar a través de algún tipo de medio porque de lo contrario existe no sería nada para crear las regiones de compresión y rarefacción, por lo que el sonido solo viaja a una velocidad finita. La velocidad del sonido en el aire (a 20 grados Celsius) es de alrededor de 344 m /s, pero en realidad viaja a una velocidad más rápida en líquidos y sólidos, con una velocidad de 1.483 m /s en agua (a 20 C) y 4.512 m /s en acero.
¿Qué es la resonancia?

Las vibraciones y oscilaciones tienden a tener lo que se puede considerar como una frecuencia natural, o frecuencia de resonancia
. En sistemas mecánicos, resonancia es el nombre para el refuerzo del sonido u otras vibraciones que ocurre cuando aplica una fuerza periódica a la frecuencia de resonancia del objeto.

Esencialmente, aplicando la fuerza en el tiempo con la frecuencia natural a la que un objeto vibra u oscila, puede amplificar o prolongar el movimiento; piense en empujar a un niño en un columpio y sincronizar sus empujes con el movimiento existente del columpio.

Las frecuencias resonantes para el sonido son básicamente las mismas. Una demostración clásica con diapasones muestra claramente el concepto: dos diapasones idénticos están unidos a las cajas de sonido (que amplifican esencialmente el sonido de la misma manera que la caja de sonido de una guitarra acústica para la oscilación de la cuerda de la guitarra), y uno de ellos es "struck with a rubber mallet.", 3, [[Esto hace que el aire a su alrededor vibre, y puede escuchar el tono producido por la frecuencia natural de la horquilla.

Pero si detiene la horquilla que golpea al vibrar, aún escuchará el mismo sonido, solo viniendo del otro tenedor. Debido a que las dos horquillas tienen las mismas frecuencias de resonancia, el movimiento del aire causado por la vibración del aire causada por la primera horquilla también hizo que la segunda vibrara.

La frecuencia de resonancia específica para cualquier objeto depende en sus propiedades, por ejemplo, para una cuerda, depende de su tensión, masa y longitud. Ondas de sonido estacionarias

Un patrón de onda estacionaria es cuando una onda oscila pero no Parece que no te mueves. En realidad, esto es causado por la superposición de dos o más ondas, viajando en diferentes direcciones pero cada una con la misma frecuencia.

Debido a que la frecuencia es la misma, las crestas de las ondas se alinean perfectamente, y hay una interferencia constructiva; en otras palabras, las dos ondas se suman y producen una perturbación mayor que cualquiera de las dos. Esta interferencia constructiva se alterna con interferencia destructiva, donde las dos ondas se cancelan entre sí, para producir el patrón de onda estacionaria.

Si se crea un sonido de cierta frecuencia cerca de una tubería llena de aire, una onda de sonido estacionaria "can be created in the pipe.", 3, [[Esto produce resonancia, que amplifica el sonido producido por la onda original. Este fenómeno sustenta el funcionamiento de muchos instrumentos musicales.
Ondas de sonido en una tubería abierta

Para una tubería abierta (es decir, una tubería con extremos abiertos a cada lado), se puede formar una onda estacionaria si el La longitud de onda del sonido permite que haya un antinodo
en cada extremo. Un nodo es un punto en una onda estacionaria donde no se produce movimiento, por lo que permanece en su posición de reposo, mientras que un antinodo es un punto donde hay más movimiento (lo opuesto a un nodo).

El patrón de onda estacionaria de frecuencia más baja tendrá un antinodo en cada extremo abierto de la tubería, con un nodo en el medio. La frecuencia donde esto sucede se llama frecuencia fundamental o primer armónico.

La longitud de onda asociada con esta frecuencia fundamental es 2_L_, donde la longitud, L
, se refiere a la longitud de la tubería. Las ondas estacionarias se pueden crear a frecuencias más altas que la frecuencia fundamental, y cada una agrega un nodo adicional al movimiento. Por ejemplo, el segundo armónico es una onda estacionaria con dos nodos, el tercer armónico tiene tres nodos y así sucesivamente.

Donde la frecuencia fundamental es f
_{1, la frecuencia de el armónico n_th está dado por _f
n \u003d nf
1, y su longitud de onda es 2_L_ / n
, donde L
nuevamente se refiere a la longitud de la tubería.
Ondas de sonido en una tubería cerrada}

Una tubería cerrada es aquella en la que un extremo está abierto y el otro está cerrado, y al igual que las tuberías abiertas, se pueden formar una onda estacionaria con sonido de una frecuencia apropiada. En este caso, puede haber una onda estacionaria siempre que la longitud de onda permita un antinodo en el extremo abierto de la tubería y un nodo en el extremo cerrado.

Para una tubería cerrada, el patrón de onda estacionaria de frecuencia más baja ( la frecuencia fundamental o primer armónico) tendrá un solo nodo y un antinodo. Para una tubería cerrada con longitud L
, la onda estacionaria fundamental se produce cuando la longitud de onda es 4_L_.

Nuevamente, puede haber ondas estacionarias producidas a frecuencias más altas que la frecuencia fundamental, y estas Se llaman armónicos. Sin embargo, solo son posibles armónicos extraños con una tubería cerrada, pero cada uno de ellos todavía produce un número igual de nodos y antinodos. La frecuencia del armónico n_th es _f
_{n \u003d nf
1, donde f
1 es la frecuencia fundamental y n
solo puede ser impar. La longitud de onda del armónico n_th es 4_L
/ n
, recordando nuevamente que n
debe ser un número entero impar.
Aplicaciones de resonancia de tubería abierta y cerrada}

Las aplicaciones más conocidas de los conceptos que has aprendido son los instrumentos musicales, particularmente los instrumentos de viento de madera como el clarinete, la flauta y el saxofón. La flauta es un ejemplo de un instrumento de tubo abierto, por lo que produce ondas estacionarias y resonancia cuando hay un antinodo en ambos extremos.

Los clarinetes y saxofones son ejemplos de instrumentos de tubo cerrado, que producen resonancia cuando hay un nodo en el extremo cerrado (aunque no está completamente cerrado debido a la boquilla, las ondas de sonido todavía se reflejan como si lo fuera) y un antinodo en el extremo abierto.

Por supuesto, los agujeros en el verdadero -los instrumentos del mundo complican un poco las cosas. Sin embargo, para simplificar ligeramente la situación, la "longitud efectiva" de la tubería se puede calcular en función de la posición del primer orificio o llave abierta. Finalmente, la vibración inicial que conduce a la resonancia es producida por una caña vibrante o por los labios del músico contra la boquilla.