El Sonido: Resonancia, Doppler y Aplicaciones
(Física — 1° Medio · OA10 · Guía N°3)
Ezequiel Saldivia
Escuela Particular 95 Alemana
Camilo Henríquez 125 - Paillaco
Fono: 63-421765 – Región De Los Ríos
Nombre:
Curso:
Fecha:
Pje. ideal: 58
Pje. Obtenido:
Nivel de exigencia: 60%
Contenidos: Resonancia, efecto Doppler, contaminación acústica, el sonido como medio de comunicación y aplicaciones tecnológicas del sonido (ecógrafo, sonar y estetoscopio).
Capacidades: Comprensión, Análisis, Aplicación del modelo ondulatorio a situaciones reales.
Destrezas: Explicar, Relacionar, Argumentar, Evaluar.
| Ítem | Descripción | N° preguntas | Pts c/u | Total | Obtenido |
|---|---|---|---|---|---|
| I | Completación de párrafos | 2 párrafos | — | 10 pts | |
| II | Selección múltiple | 6 preguntas | 3 pts | 18 pts | |
| III | Verdadero y Falso | 6 afirmaciones | 2 pts | 12 pts | |
| IV | Análisis y desarrollo | 3 preguntas | — | 18 pts | |
| TOTAL | 58 pts | ||||
Resonancia: cuando el sonido hace vibrar objetos
Cada objeto tiene una frecuencia natural de vibración, es decir, una frecuencia a la que vibra de forma espontánea cuando se le golpea o perturba. La resonancia ocurre cuando una fuente sonora emite un sonido cuya frecuencia coincide exactamente con la frecuencia natural de otro objeto: ese objeto comienza a vibrar con una amplitud creciente, absorbiendo energía de la onda.
Definición: La resonancia es el fenómeno por el cual un objeto absorbe energía de una onda y vibra con gran amplitud cuando la frecuencia de la onda coincide con su frecuencia natural de vibración.
La copa de cristal
Una copa de cristal tiene una frecuencia natural. Si un cantante o un parlante emite exactamente esa frecuencia con suficiente intensidad, la copa comienza a vibrar con amplitud cada vez mayor hasta que la tensión supera su resistencia y… ¡se rompe! Este efecto se usa en demostraciones de física.
El puente Tacoma Narrows (1940)
El puente colgante de Tacoma, EE.UU., colapsó por resonancia: el viento generó ondas que coincidían con la frecuencia natural del puente. Las oscilaciones crecieron hasta que la estructura no pudo resistir. Hoy los puentes se diseñan para evitar este efecto.
Situación de la vida cotidiana — Resonancia en tu cuarto
Si tienes un parlante en tu habitación y subes el volumen con ciertos bajos (frecuencias graves), quizás notes que algunos objetos comienzan a vibrar o "tintinear": un vaso en el estante, una ventana, un cuadro en la pared. Eso es resonancia. Cada objeto tiene su propia frecuencia natural y cuando el parlante emite justo esa frecuencia, el objeto responde vibrando.
Efecto Doppler: el sonido cambia cuando la fuente se mueve
Cuando una ambulancia se acerca a ti, su sirena suena con un tono más agudo que cuando se aleja. Y cuando pasa frente a ti, escuchas un cambio brusco de tono. Esto no ocurre porque la ambulancia cambie el sonido que emite: la sirena siempre vibra a la misma frecuencia. Lo que cambia es la frecuencia percibida por el receptor.
El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia percibida de una onda cuando la fuente o el receptor están en movimiento relativo. Si la fuente se acerca, las ondas se "comprimen" en el espacio (más crestas por segundo llegan al oído → frecuencia mayor → tono más agudo). Si la fuente se aleja, las ondas se "estiran" (menos crestas por segundo → frecuencia menor → tono más grave).
Regla práctica:
• Fuente acercándose → frecuencia percibida mayor que la real → sonido más agudo.
• Fuente alejándose → frecuencia percibida menor que la real → sonido más grave.
• Fuente acercándose → frecuencia percibida mayor que la real → sonido más agudo.
• Fuente alejándose → frecuencia percibida menor que la real → sonido más grave.
Policía y radares
Los radares de velocidad usan el efecto Doppler con ondas de radio (o sonido): envían una onda y miden el cambio de frecuencia al rebotar en el auto. Con esa diferencia calculan la velocidad del vehículo.
Ecografía Doppler
En medicina, la ecografía Doppler mide el flujo sanguíneo. Las ondas de ultrasonido rebotan en los glóbulos rojos en movimiento y el cambio de frecuencia indica la velocidad y dirección del flujo. Detecta coágulos, estenosis y otros problemas.
Astronomía
Los astrónomos usan el efecto Doppler en la luz de las estrellas para saber si se acercan o alejan. Si la luz se "corre al rojo" (frecuencia baja), la estrella se aleja. Si se "corre al azul", se acerca. Así se descubrió que el universo se expande.
Situación de la vida cotidiana — La ambulancia en la calle
Estás parado en la vereda y escuchas una ambulancia a lo lejos. Mientras se acerca, la sirena suena cada vez más aguda. En el momento en que pasa frente a ti, escuchas un cambio brusco: de agudo pasa a grave. Ese instante en que parece que la sirena "cae" es el momento en que la fuente pasa de acercarse a alejarse de ti. Nada cambió en la sirena, solo cambió tu posición relativa respecto a la fuente.
Consecuencias del sonido: contaminación acústica y comunicación
El sonido no solo tiene efectos agradables. Cuando los niveles de intensidad sonora son demasiado altos o prolongados, pueden causar daño. A esto se le llama contaminación acústica.
Tabla: Niveles de intensidad sonora y sus efectos
| Situación | Intensidad (dB) | Efecto en la salud |
|---|---|---|
| Susurro | 20–30 dB | Sin efecto, sonido muy suave. |
| Conversación normal | 60 dB | Sin efecto. Nivel seguro de comunicación. |
| Tráfico vehicular intenso | 80–90 dB | Exposición prolongada puede causar estrés y fatiga. |
| Concierto de rock / discoteca | 100–110 dB | Daño auditivo posible con exposición de más de 15 min. |
| Despegue de avión | 130–140 dB | Dolor inmediato. Daño auditivo permanente. |
Efectos de la contaminación acústica
• Pérdida de audición progresiva.
• Estrés, insomnio y problemas cardiovasculares.
• Dificultades de concentración y aprendizaje.
• Efectos en animales: desorientación en cetáceos (ballenas) por el sonar naval.
• Estrés, insomnio y problemas cardiovasculares.
• Dificultades de concentración y aprendizaje.
• Efectos en animales: desorientación en cetáceos (ballenas) por el sonar naval.
El sonido como comunicación
El sonido es el principal medio de comunicación oral del ser humano. Las cuerdas vocales generan sonidos que se modulan en la boca para producir lenguaje. Además, animales como delfines, ballenas, murciélagos y aves usan sonidos para comunicarse, orientarse y cazar (ecolocalización).
Situación de la vida cotidiana — Los auriculares a alto volumen
Escuchar música con audífonos a volumen muy alto (por encima de 85 dB) durante más de una hora al día puede causar pérdida auditiva irreversible a largo plazo. Las células ciliadas del oído interno que detectan el sonido no se regeneran. Muchos jóvenes presentan pérdida auditiva a los 30 años por esta causa. La OMS recomienda no superar el 60% del volumen máximo y usar auriculares no más de 60 minutos seguidos.
Aplicaciones tecnológicas del sonido: ecógrafo, sonar y estetoscopio
El modelo ondulatorio del sonido no solo explica fenómenos naturales, sino que ha permitido desarrollar tecnologías que salvan vidas y exploran el mundo. Tres de las más importantes son el ecógrafo, el sonar y el estetoscopio.
Ecógrafo (ultrasonido)
Emite ultrasonidos (frecuencias superiores a 20.000 Hz, inaudibles para el ser humano) hacia el interior del cuerpo. Las ondas rebotan (reflexión) en los distintos tejidos y órganos. El tiempo que tardan en regresar y la intensidad del eco permiten construir una imagen. Se usa para ver fetos, detectar tumores y evaluar órganos. Aplica: reflexión + efecto Doppler.
Sonar
(Sound Navigation And Ranging). Emite pulsos de sonido bajo el agua y mide el tiempo que tarda el eco en regresar. Con esa información calcula la distancia a objetos sumergidos (fondo del mar, submarinos, bancos de peces). Aplica: reflexión del sonido y la fórmula d = v · t / 2. Los murciélagos y delfines usan un "sonar biológico" llamado ecolocalización.
Estetoscopio
Amplifica y transmite los sonidos del corazón, pulmones e intestinos al oído del médico. No usa tecnología electrónica: aprovecha la transmisión mecánica del sonido a través de un diafragma (lámina que vibra), un tubo y las auriculares. Permite detectar soplos cardíacos, líquido en los pulmones y otras anomalías simplemente escuchando.
Conexión con el modelo ondulatorio: Las tres tecnologías se basan en los mismos principios: el sonido se propaga como onda mecánica, puede ser emitido, reflejado y detectado. La diferencia está en la frecuencia usada (audible vs. ultrasonido) y en el medio de propagación (aire, tejido biológico, agua).
Situación de la vida cotidiana — La ecografía del embarazo
Cuando una embarazada va a su control, el médico le aplica un gel conductor en el abdomen y pasa un transductor por encima. El transductor emite ultrasonidos que penetran el cuerpo, rebotan en el feto y regresan. El computador calcula, a partir del tiempo de retorno y la frecuencia de cada eco, dónde están los distintos tejidos del bebé y los representa en pantalla. Si el médico quiere ver el flujo sanguíneo en el cordón umbilical, activa el modo Doppler: mide el cambio de frecuencia de los ecos que rebotan en los glóbulos rojos en movimiento.
Tabla: Comparación de las tres tecnologías
| Tecnología | Tipo de sonido | Fenómeno clave | Uso principal |
|---|---|---|---|
| Ecógrafo | Ultrasonido (>20.000 Hz) | Reflexión + Doppler | Diagnóstico médico por imagen |
| Sonar | Sonido o ultrasonido | Reflexión (eco) | Navegación y detección submarina |
| Estetoscopio | Sonido audible | Transmisión mecánica | Auscultación médica |
Ítem I · Completación
10 puntos — 5 puntos por párrafo
Completa los párrafos escribiendo el concepto correcto en cada línea.
Banco — Párrafo 1: resonancia · frecuencia natural · amplitud · agudo · grave · acercando · alejando · Doppler · fuente · receptor
La ocurre cuando la frecuencia de una onda coincide con la de un objeto, haciendo que vibre con una creciente. El efecto es el cambio en la frecuencia percibida cuando la o el están en movimiento. Si la fuente se está , el sonido se percibe más ; si se está , el sonido se percibe más .
Banco — Párrafo 2: contaminación acústica · decibeles · irreversible · ultrasonidos · reflexión · sonar · ecógrafo · estetoscopio · Doppler · ecolocalización
La exposición prolongada a sonidos intensos provoca , medida en , que puede causar daño auditivo . En tecnología, el emite que rebotan en los tejidos (reflexión) y generan imágenes; también aplica el efecto para medir el flujo sanguíneo. El usa la del sonido bajo el agua para detectar objetos. El en cambio transmite el sonido mecánicamente al oído del médico.
Ítem II · Selección Múltiple
18 puntos — 3 puntos por pregunta
Encierra en un círculo la alternativa correcta.
1. Un cantante de ópera rompe una copa de cristal cantando una nota muy precisa. ¿Cuál es el fenómeno físico que lo explica?
A
El eco del sonido hace que la copa vibre de forma caótica.B
La resonancia: la frecuencia del canto coincide con la frecuencia natural de la copa.C
La difracción del sonido concentra energía en la copa.D
La intensidad del sonido es tan alta que rompe cualquier objeto.2. Estás parado en la vereda cuando pasa una ambulancia a alta velocidad. ¿Qué escuchas?
A
El tono sube mientras se acerca y sube aún más cuando se aleja.B
El tono sube mientras se acerca y baja cuando se aleja.C
El tono baja mientras se acerca y sube cuando se aleja.D
El tono no cambia porque la sirena emite siempre la misma frecuencia.3. Un médico usa ecografía Doppler para revisar el flujo sanguíneo de un paciente. ¿Qué principio físico le permite medir la velocidad de la sangre?
A
La frecuencia del ultrasonido emitido es igual a la que rebota en la sangre.B
El cambio de frecuencia entre el ultrasonido emitido y el que rebota en los glóbulos rojos en movimiento.C
La absorción del ultrasonido por la sangre indica su velocidad.D
La interferencia entre el ultrasonido y las ondas del corazón.4. Un barco quiere medir la profundidad del mar. Emite un pulso de sonido y recibe el eco 2 segundos después. Si el sonido viaja a 1.480 m/s en el agua, ¿cuál es la profundidad?
A
2.960 metros.B
740 metros.C
1.480 metros.D
296 metros.5. Un joven escucha música con audífonos a muy alto volumen todos los días durante años. Con el tiempo, comienza a tener dificultades para escuchar conversaciones. ¿Por qué este daño es difícil de revertir?
A
Porque los huesos del oído se desgastan y pueden repararse con cirugía.B
Porque las células ciliadas del oído interno dañadas no se regeneran.C
Porque el nervio auditivo se acostumbra al sonido alto y ya no responde al suave.D
Porque el tímpano se endurece con el tiempo y deja de vibrar.6. Un médico coloca su estetoscopio en el pecho de un paciente para escuchar su corazón. ¿Qué principio físico explica el funcionamiento del estetoscopio?
A
El efecto Doppler amplifica los sonidos del corazón.B
El diafragma vibra y transmite mecánicamente el sonido a través del tubo hasta el oído.C
El ultrasonido del corazón se convierte en imagen para el médico.D
La resonancia del tubo amplifica la frecuencia natural del corazón.
Ítem III · Verdadero y Falso
12 puntos — 2 puntos por afirmación
Marca con una X en V o F. Corrige las afirmaciones falsas.
VF
1.
La resonancia ocurre cuando la frecuencia de una onda externa coincide con la frecuencia natural de un objeto, haciendo que vibre con amplitud creciente.
2.
El efecto Doppler ocurre porque la fuente sonora cambia la frecuencia que emite cuando se mueve hacia el receptor.
Corrección:
3.
El sonar determina la distancia a un objeto sumergido midiendo el tiempo que tarda el eco en regresar y multiplicándolo por la velocidad del sonido en el agua, dividido entre dos.
4.
El ecógrafo y el estetoscopio funcionan exactamente con el mismo principio físico, ya que ambos usan ultrasonidos para detectar sonidos internos del cuerpo.
Corrección:
5.
La contaminación acústica puede causar daño auditivo irreversible porque las células ciliadas del oído interno no se regeneran.
6.
Los murciélagos usan el efecto Doppler, no la ecolocalización, para orientarse en la oscuridad y cazar insectos.
Corrección:
Ítem IV · Análisis y Desarrollo
18 puntos
Responde con argumentos científicos completos. Muestra procedimientos cuando corresponda.
Situación para las preguntas 1 y 2
Un barco pesquero quiere ubicar un banco de peces. Usa su sonar: emite un pulso de sonido bajo el agua y detecta el eco del banco de peces a los 0,4 segundos. El sonido viaja a 1.480 m/s en el agua. Además, el sonar detecta que la frecuencia del eco es ligeramente mayor que la frecuencia emitida.
Pregunta 1 (4 pts): Calcula a qué distancia se encuentran los peces del barco. Muestra el procedimiento y la fórmula utilizada.
Rúbrica: 2 pts fórmula y procedimiento (d = v·t/2) · 2 pts resultado correcto con unidad (296 m).
Pregunta 2 (6 pts): El sonar detecta que la frecuencia del eco es mayor que la frecuencia emitida. ¿Qué indica esto sobre el movimiento de los peces? Explica usando el efecto Doppler. ¿Se están acercando o alejando del barco?
Rúbrica: 3 pts por conclusión correcta (los peces se acercan) · 3 pts por explicar correctamente el efecto Doppler aplicado a esta situación.
Pregunta 3 — Síntesis (8 pts): En Chile, las ciudades más grandes tienen serios problemas de contaminación acústica. Imagina que eres asesor del municipio de tu ciudad y debes proponer un plan para reducir la contaminación acústica en una zona residencial cercana a una avenida con mucho tráfico.
a) Describe al menos dos fuentes de contaminación acústica en esa zona.
b) Propón al menos tres medidas concretas para reducirla, explicando qué principio físico del sonido aplica cada medida (reflexión, absorción, difracción, etc.).
c) Explica una consecuencia para la salud de los vecinos si no se toman medidas.
a) Describe al menos dos fuentes de contaminación acústica en esa zona.
b) Propón al menos tres medidas concretas para reducirla, explicando qué principio físico del sonido aplica cada medida (reflexión, absorción, difracción, etc.).
c) Explica una consecuencia para la salud de los vecinos si no se toman medidas.
Rúbrica: 2 pts fuentes identificadas · 4 pts medidas con principio físico (1,3 pts c/u) · 2 pts consecuencia en la salud fundamentada.
Escuela Particular 95 Alemana · Paillaco
Física — 1° Medio · OA10 · Guía N°3
Ezequiel Saldivia