Pulse
02 Mar, 2013
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PRESENTATION: A pulse is a phenomenon generated by the superposition (interference) of two acoustic waves, each with a frequency that is different from the other’s but very close to it. A familiar example are the pulses produced by sound waves coming from two tuning forks with frequencies that are almost the same but not identical. The outcome is a note or tone whose intensity varies back and forth between a high intensity value (loud volume) and a low-intensity value (quiet volume).
- Analyzing acoustic phenomena with a smartphone microphone, Jochen Kuhn and Patrik Vogt, Phys. Teach. 51, 118 (2013)
- Acoustic Resonators, Thomas B. Greenslade, Phys. Teach. 50, 485 (2012)
INTRODUCTION: The study of waves, in all their forms, is one of the most complex and yet appealing in Physics. Both in current subatomic models and in data transmission, which is vital for modern day life, waves play a fundamental role. The tuning fork is an instrument that has been designed with certain characteristics so that it emits and propagates an oscillatory movement, which is transmitted as a harmonic sound wave, with one fundamental tone.
OBJECTIVE: To analyse the interferences of a certain group of waves, mechanical ones, and their characteristics.
MATERIALS: two tuning forks mounted onto a sound board, two clamps to vary the frequency of the sound emitted by the tuning forks, a rubber hammer.
SETUP: Each tuning fork is placed on its sound board. The clamps are used to change the frequency of the sound emitted by the tuning forks when they are hit by a hammer.
EXPLANATION: Two harmonic sound waves of equal or different frequency that propagate in the same medium will give rise to a resulting wave, also harmonic, whose amplitude depends on the gap between the original waves. This phenomenon is called interference and can be constructive or destructive. In the region of space where two waves interfere, the amplitude of the resulting wave is greater at certain points (constructive interference) and smaller at other points (destructive interference), and it can even be null at those points where the amplitudes of the interfering waves are equal and opposite. If the frequencies of the interfering waves are very similar, a pulse is produced: the amplitude of the resulting wave varies alternatively between a maximum value and a minimum one, and the frequency of variation of the amplitude, that is, the frequency of the pulse, depends on how similar the frequencies of the interfering waves are, and will be null if they are the same. These concepts can be used for tuning instruments: the pulse disappears when the frequency of the note being tuned coincides with the wave it is being compared to.
CONCEPTS: acoustic wave, interference, pulse.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- Tipler P.A. Física, Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2011-2012: Alejandro Andreu, Damián Baleato, André Bernal, Jonathan Blanco
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
44 responses to "Pulse"
En este vídeo un señor exageradamente expresivo explica de forma, en mi opinión, muy clara el fenómeno de interferencia de ondas (vídeo en inglés, 7:54).
El diapasón fue inventado en 1711 por John Shore.
Otro experimento con diapasón es, tocando el diapasón al lado de un resorte; al realizar el montaje del resorte cercano al diapasón y hacer sonar este último, observamos que hay un movimiento del resote, esto es debido a que la perturbación que provoca el toque del diapasón en las moléculas de aire desestabiliza el medio y el reposo en el que se encuentra el resorte. Las partículas de aire que rodean el diapasón pasan por sucesivas contracciones y dilataciones. Dichas vibraciones se transmiten a las partículas de aire provocando la perturbación en todas las direcciones creando con ello ondas sonoras; por lo tanto, estas alteraciones del estado natural del aire son las que generan el movimiento en el espiral.
La frecuencia es una propiedad de las ondas y es el número de oscilaciones que se producen por segundo, y se mide en Hertzios (Hz). El sonido, que es un tipo de onda mecánica, se propaga en distintas frecuencias, aunque el oído del ser humano sólo es capaz de percibir los sonidos comprendidos entre los 20 y los 20.000 Hz de frecuencia. Las ondas que vibran más de 20.000 veces en un segundo se denominan ultrasonidos; son percibidos por animales como el murciélago y los delfines y utilizados en medicina. Por otro lado, los sonidos que se propagan con una frecuencia inferior a 20 Hz son infrasonidos y es perceptible para las ballenas.
La frecuencia también determina el tono; hay dos tipos básicos de tono: grave y agudo. Los tonos agudos tienen una frecuencia alta, es decir, muchas oscilaciones por segundo; mientras que la frecuencia es baja en los tonos graves. La frecuencia se relaciona con la energía de la onda a través de la constante de Planck (h), donde:
Frecuencia = Energía * constante de Planck
En consecuencia, la frecuencia es directamente proporcional a la energía implicando que sonidos con mucha energía provocarán altas frecuencias sonoras.
Existen dos consecuencias de este fenómeno sonoro. La creación de ondas constructivas cuando las ondas individuales se refuerzan mutuamente o destructiva donde la onda resultante es la diferencia entre las amplitudes individuales. En cuanto a aplicaciones técnicas, el fenómeno de interferencia en las ondas luminosas es utilizado en la medición precisa de longitudes, para definir el metro patrón y fundamentalmente en la determinación de cualquier magnitud que pueda modificar la diferencia de fase de las ondas luminosas, típicamente el láser.
Dos ondas que se unen podrían ser de diferentes frecuencias. Esto significa que las crestas y los valles no se unirían de la misma forma con cada nueva onda, ya que cada una se mueve más rápidamente que la otra. Partes de la ondas interferirán constructivamente y otras, destructivamente. Se pueden escuchar pulsaciones cuando dos instrumentos tocan casi la misma nota, pero no son exactas. Los músicos usan pulsaciones para afinar sus instrumentos. Los afinadores de piano golpean un diapasón y luego, tocan la nota en el piano. Si escuchan una pulsación, saben que deben apretar o aflojar la cuerda para lograr la nota deseada. Cuando la pulsación desaparece, la nota está afinada. Fue así cómo Doppler pudo decir que la frecuencia de las trompetas en el tren habían cambiado. Podía escuchar las pulsaciones de las ondas. En el siguiente vídeo podemos ver otra demostración del efecto de interferencia que se produce al superponerse varias ondas sonoras.
En el siguiente vídeo se explican de manera clara las ondas y el sonido, así como el fenómeno de interferencia.
Forma sencilla, intuitiva e interesante para ver como se transmiten las ondas
Exolicación y montaje sencillo para explicar ondas, sus parametros mas destacados y el fenomeno de las interferencias tan usado en la vida diaria en nuestras comunicaciones.
Pasa algo parecido con las cuerdas de una guitarra , a veces al tocar unas si la frecuencia es la adecuada las otras se mueven
No se distinguen bien los pulsos, no me parece un experimento que convenza a quien no conozca bien las ondas, su propagación y el fenómeno de interferencia, estos “pulsos” son muy comunes en la vida diaria, bien para un auditorio entrenado y convencido, flojo para convencer.
Explicación clara e sinxela para as ondas sonoras
Para poder entender las interferencias de las ondas podemos realizar un sencillo ejemplo: se trata de lanzar dos piedras a la vez en un estanque en calma. Las ondas que genera cada piedra se van a entrecruzar en algún punto, para posteriormente seguir su camino. En estos puntos de intersección va a haber zonas con una amplitud mayor y zonas con una amplitud menor de la que tendría cada onda de forma individual. Estos puntos en los que las ondas se superponen, se denominan interferencias. En este enlace de FisicaLab aparece el concepto de interferencia explicado claramente, además de ecuaciones, ejercicios y ejemplos.
Una demostración del fenómeno de pulso, aunque tal vez no demasiado clara. En este otro vídeo se aprecia el pulso más claramente y el presentador también explica lo que debemos oír para que el que ve la demostración sepa que debe esperar. Como se dice en el vídeo es un fenómeno que se utiliza para afinar los instrumentos, así que con un instrumento también podría ilustrarse, como en el caso de esta guitarra.
Interesante vídeo sobre o fenómeno da pulsación que se soe apreciar cando se afinan instrumentos antes dun ensaio ou dun concerto. En música de cámara con piano soe afinarse co La central do piano que emite unha frecuencia de 440 Hz. No proceso de afinación, cando comezamos a afinar, se superpoñemos dúas ondas de 400 Hz y 404 Hz, o noso sistema auditivo percibirá un único son cuxa altura corresponde a unha onda de 302 Hz e cuxa amplitude varía cunha frecuencia de 4 Hz (é decir, catro veces por segundo) como se explica no seguinte enlace. Cando o instrumento solista está xa afinado correctamente emitirá un La a 440 Hz igual que o piano e este fenómeno de pulsación desaparecerá e se escoitarán dous La a 440 Hz.
Cabe salientar que no mundo da música “culta” occidental, utilízase profusamente dende o barroco o sistema de afinación do temperamento igual. Este sistema foi eloxiado por J.S. Bach no seu libro “O clave ben temperado” e introduxo un cambio moi salientable na teoría musical. Ata ese momento, en Europa (e na maioría do mundo) a afinación dependía das propiedades da serie harmónica, que inclúe notas que actualmente recoñeceríamos como desafinadas (coloreadas), realmente todas o estarían máis ou menos baixo parámetros actuais.
O sistema temperado baséase en que as únicas notas afinadas pola serie harmónica sexan as octavas (notas do mesmo nome), isto tivo moita relevancia compositiva ó desterrar a quinta de lobo da teoría musical e non causou moitos cambios para os teclistas (clave, piano, acordeón…) pero orixina certas dificultades a maiores na formación da maioría dos novos intérpretes dos instrumentos que afinan ó tempo que executan (voz, vento non mecánico, corda fretada e punteada non mecánica, timbais…), pois deben alterar levemente a afinación “natural” para non orixinar pulsación.
Os músicos profesionais, que entenden dun xeito máis ou menos consciente estas cuestións, executan cada nota e acorde con certa comprensión da súa función harmónica, adaptando levemente a afinación (“naturalizándoa”), un proceso que enriquece moito a interpretación, pero que non é realmente atendido e comprendido en toda a súa plenitude pola maioría. Esta adaptación é incluso vista como un erro por certas ramas da ensinanza musical, pois esas notas “naturalizadas” que harmónicamente encaixan mellor nos acordes producen pulsación (desafinación cercana) coas que se tocan de acordo co sistema “de libro”.
De feito, ata a aparición masiva dos afinadores electrónicos e das máis recentes aplicacións móbiles de afinación, a maioría dos profesionais eran moito máis conscientes destas cuestións.
La applet del PHET que se enlaza en el último de los links con “Más información”, es especialmente útil para comprender que el espacio entre los componentes de Fourier es inversamente proporcional a la separación entre paquetes de onda, mientras que una distribución continua de los componentes de Fourier conduce a un paquete de ondas individuales.
Las pulsaciones por las ondas sonoras de diapasones de diferentes frecuencias se utilizan en terapias y masajes sonoros para aportar un profundo estado de relajación y bienestar al cuerpo. El sonido tiene propiedades terapéuticas ya que produce cambios energéticos y fisiológicos como la reducción del estrés y de la ansiedad, la disminución de la tensión sanguínea y estimulación el sistema inmunitario aumentando su capacidad de respuesta, la creación de endorfinas, etc. Los diapasones se utilizan directamente en contacto con nuestro cuerpo, transmitiendo la vibración a órganos determinados, o a través de los oídos. Al sentir su vibración, nuestro cuerpo resuena empáticamente a la misma frecuencia que la del diapasón.
La acumetría es una técnica audiológica que, mediante el uso de diapasones, evalúa la función auditiva. Su uso data del siglo XIX, de la mano de autores como Weber o Rinne, que dejaron sus nombres asociados a algunas pruebas acumétricas aún hoy vigentes. La acumetría permite diagnosticar las hipoacusias en sujetos colaboradores y añade una posibilidad revolucionaria para la época en la que se introdujo: identificar las hipoacúsias de transmisión y las de carácter neurosensorial. Para realizar una acumetría hemos de contar con un juego completo de diapasones, que al golpear vibran emitiendo un tono puro, de frecuencia determinada, que se corresponde con las notas do de la escala musical. Las frecuencias que deben emitir cada uno serán: 125, 250,500 y 1000 Hz.
Una manera de ver como modificar la frecuencia de una onda de manera física y con una aplicación práctica directa en los instrumentos de percusión sobre todo como el xilófono o el vibráfono. Este fenómeno se puede utilizar para afinar instrumentos, normalmente teniendo de referencia el LA (440hz). Sabiendo que se puede modificar dicha frecuencia, se puede modificar o conseguir diapasones con el resto de frecuencias, como SOL (392~hz) o FA (349.22hz).
Una interferencia consiste en la combinación por superposición de dos o más ondas que se encuentran en un punto del espacio. Para su comprensión debemos mencionar el principio de superposición: “La amplitud resultante de una superposición de dos pulsos en un determinado medio se obtiene sumando las amplitudes de cada uno de los pulsos”. Os encontramos con dos tipos de interferencias: las constructivas o destructivas. Sinceramente me parecen términos muy complejos y abstractos para asimilar, es verdad que las ondas y las interferencias están continuamente en nuestra vida diaria pero no las vemos y prácticamente ni las apreciamos. El experimente me parece útil para explicar los conceptos, pero si que creo que es forzado, puesto que no es próximo al alumnado, un diapasón es un instrumento extraño a no ser que tengas contacto con la música de alguna forma. Es por ello que me gusta mucho más la explicación utilizando las ondas generadas por dos piedras en el agua al revotar, o como en este casos utilizando dos “martillos de globos”. También me parece de interés la primera simulación de esta página podemos apreciar una interferencia entre una onda incidente que se mueve de izquierda a derecha y otra que se mueve en sentido contrario (derecha a izquierda), ambas son de la misma amplitud y de la misma longitud de onda.
Y para terminar mencionar “La guerra de interferencias”, y es que una investigación realizada por profesores de Biología de la Universidad de Wake Fost y Universidad de Maryland han descubierto que algunas especies de murciélagos generan interferencias para evitar que otro murciélago pueda cazar, recordar que estos animales utilizan la ecolocalización para encontrar y rastrear a sus presas. Aquí la noticia de este hallazgo. O para más información el siguiente artículo del CSIC.
Buscando cousas relacionadas con este tema, atopeime este vídeo para ver de forma máis visual a relación das vibracións co sonido.
Hace unas semanas leí en una revista que con un láser apuntando a una ventana se puede llegar a escuchar la conversación que tiene lugar en el interior, y me pregunté si eso era posible o si se trataba de una exageración sensacionalista. La respuesta es que no sólo es posible sino que lleva años haciéndose. La explicación se basa precisamente en el concepto de la interferencia. Consiste en utilizar la luz para medir distancias como si fuera una regla, pero graduada en longitudes de onda en lugar de marcas milimétricas. Al hablar en una habitación, el sonido (una onda de presión en el aire) causa una vibración ligerísima en el vidrio de las ventanas pero suficiente como para detectar el desplazamiento y, amplificando la señal, poder llegar a escuchar la conversación. Otra posibilidad es apuntar el láser a algún objeto que vibre más que el cristal dentro de la habitación, por ejemplo una lata de refresco, un papel o un plástico que cuelgue, la hoja de una planta… La verdad es que no deja de sorprenderme la utilización de conceptos “básicos” de física en aplicaciones de todo tipo, como este increíble método de espionaje basado en detectar las vibraciones de objetos causadas por el sonido mediante un láser, midiendo las interferencias que producen.
Un tema moi interesante que se pode levar á aula de moitas maneiras. Un aplicación deste fenómeno está por exemplo no acondicionamento acústico de unha sala. Podemos diseñar un panel tipo membrana que sintonizado a unha certa frecuencia vibre e absorva así o son que nos interese. No mundo da música tamén ten moitas aplicacións, por exemplo é curioso como cada instrumento soa diferente debido a que o volumen de cada un dos seus armónicos é diferente, podendo chegar a facer que unha flauta soe como un violín. No seguinte vídeo móstrase unha explicación moi visual desto último.
Nuevamente, otro experimento en el que se explica el principio detrás de un fenómeno cotidiano que no nos sorprende pero sobre el cual quizá no nos habíamos parado a reflexionar.
Este fenómeno podémolo apreciar tamén cando dúas emisoras de radio están emitindo na mesma frecuencia, o que pasa é que as ondas de radio superpóñense e prodúcese unha clara perda de calidade de son debido ás interferencias.
Cuando de pequeña estudiaba música, me gustaba mucho jugar a hacer vibrar el diapasón. Ahora que he visto este experimento, pienso rescatarlo del lugar en el que lo tengo guardado y experimentar un poco más con las ondas.
Isto pasa moitas veces na banda de música que cando estamos tocando algúns acordes, os parches da caixa ou dos timbais entran en resonancia, interrumpindo na obra. Para remedialo se lle poñe un pano de tela e listo.
El fenómeno de la superposición de ondas, lo podemos descubrir en multitud de situaciones de nuestro día a día. Esto es una explicación fácil y sencilla de este fenómeno. Además, el diapasón es una muy buena herramienta para ilustrarlo, ya que además de ser donde mejor lo vamos a ver, herramientas como unas pinzas que todo alumno tiene en casa, hacen (en menor medida) la misma función, y en general es un tipo de instrumento o sonido con el que todo niño ha jugado alguna vez.
Por último, lo veo de especial interés para niños y niñas que hayan estudiado música. en primer lugar por el uso del diapasón y en segundo por la explicación de una cosa que han tenido que estudiar y corregir en multitud de ocasiones.
Hola quería comentaros un dato que me enamoró de la superposición de ondas de frecuencia similar. Normalmente en nivel de segundo de bachillerato los estudiantes no tienen las herramientas necesarias para sumar dos ondas de diferente frecuencia. Por ejemplo:
Sumemos una onda con “frecuencia” 99 y otra con “frecuencia” 101.
y(t) = sen(99x) + sen(101x)
Cual será el resultado? Algo súper-caótico? Pues no. Aparece curiosamente una onda de frecuencia más o menos parecida a la original (~100) pero que muy lentamente cambia de amplitud (lo que se llama amplitud modulada). Y precisamente, la frecuencia con la que cambia su amplitud es esa pequeña diferencia entre las frecuencias (en este caso 101-99=2).Esto genera un fenómeno muy curioso y es si tocamos dos notas un poquito desafinadas entre sí, se produce un fenómeno de amplitud variable y audible. Esto es sorprendente, pues las fluctuaciones individuales de una onda acústica no se diferencian (el cerebro humano no es capaz de comprender algo que oscila cientos de veces por segundo), pero en este caso sí que notamos y entendemos las fluctuaciones individuales, que se escuchan como un WOum…WOum…, no como un sonido uniforme, que sería wummmmmmm.
Os invito a que entreis en Wolframalpha y le digáis algo así como:
plot sin(99x) + sin(101*x) from 0 to 2
No solo es sorprendente que la suma de dos funciones tan simples como el seno dé como resultado algo tan inesperado, sino que estas ondas “casi afinadas” tienen una utilidad sorprendente. Sí! Es lo que estabais pensando, la armónica trémolo, usa este efecto para obtener su sonido característico. Cuando tocas la armónica trémolo, soplas en dos agujeros afinados a casi la misma nota. El resultado es ese sonido tan único de la armónica trémolo, que alegra las noches de acampada.
Todos jugamos a tirar piedras de pequeños a un estanque o a una poza y ver las ondas que se forman en la superficie. Si tiramos dos piedras o más a la vez las ondas cuando se juntan se “deforman”. Lo que está sucediendo es que se superponen dichas ondas, produciéndose una interferencia de ondas. En esta página se explica el fenómeno a la perfección.
Como curiosidad sería saber la diferencia entre ondas de sonido y de luz. Aquí dejo un video explicativo.
La perturbación que experimenta un punto sometido a dos ondas será la suma de las perturbaciones producidas por cada onda. En este enlace os dejo un juego de simulación de la superposición de ondas, en la que el alumnado puede modificar la frecuencia de las ondas individuales y analizar el resultado.
Existen varios experimentos con diapasones útiles para realizar en el aula, dejo aquí un documento donde aparecen varios, entre ellos el explicado en clase por el profesor Benito sobre resonancia utilizando dos diapasones.
Se utilizan también las pulsaciones para detectar pequeños cambios en frecuencia, como los que se producen cuando el haz de un radar se refleja en un coche en movimiento. La variación de la frecuencia del haz reflejado se produce por el efecto Doppler. Podría determinarse esta velocidad midiendo las pulsaciones producidas por el haz reflejado del radar cuando se combina con el haz original.
Las ondas se prestan mucho a realizar experimentos muy llamativos visualmente, lo que seguro aumenta la motivación del alumnado. Además de realizar prácticas con ondas sonoras, también podemos hacerlo utilizando el agua, como en el siguiente vídeo donde se observa perfectamente el fenómeno de interferencia.
Un tema aplicable en el aula de varias formas, por ejemplo, en el aula de música descifrando cada instrumento como suena diferente. El sonido viaja en forma de ondas. La frecuencia se mide en Hertz, que es un ciclo por segundo. El ciclo de una onda es una onda completa. Las personas pueden escuchar sonidos entre 20 y 20000 Hertz. Cada onda presenta determinada amplitud (medida de fuerza de una onda), cuanto mayor amplitud, mayores crestas y valles más profundos.
Sentir la activación de un diapasón cerca de los oídos es oír la vibración. Una sensación extraña que explicaría la transferencia de vibración a sonido.
No conseguí ver los vídeos por estar fuera de servicio”. Pero si ver el PDF. Oír un diapasón cerca del oído es sentir el sonido de la vibración. Sentir esa transferencia de vibración a sonido.
En teleco hicimos varios experimentos de vibraciones y pulsos y cómo se propaga el sonido en el aula. En la escuela tienen una sala semianecoica y nos llevaron para hacer medidas y pruebas de propagación de ondas.
O experimento é moi interesante e ten moita aplicabilidade ao mundo da música, o cal pode resultar moi interesante dende un punto de vista didáctico. O problema é que se dan por coñecidos conceptos como ‘frecuencia’ ou ‘harmonía’ o que, na miña opinión, dificulta ter unha comprensión máis completa do experimento.
No primeiro vídeo observamos dous diapasóns que usan a mesma caixa de resonancia, ambos os dous ao ser percutidos cun pequeno martelo sonan na frecuencia 440 Hz que é a frecuencia habitual para a afinación musical de referencia vulgarmente coñecido entre os músicos occidentais como LA 440. Ao engadirlles un elemento de interferencia varía a frecuencia e mentres un sigue con frecuencia orixinal o outro cambia. No segundo vídeo non empregan diapasóns senón uns tubos máis grosos pero o experimento e idéntico que o primeiro.
El ejemplo mostrado con diapasones también se puede intentar replicar con dos copas con agua. Mojando el dedo en una de ellas y pasándolo por el canto, conseguimos que vibre la copa y si están con la misma cantidad de agua, veremos como la otra copa también vibra por este fenómeno. Dejo un vídeo enseñando cómo hacerlo en casa.
Un experimento que también facilita la comprensión del fenómeno de interferencia constructiva se muestra en este vídeo a través de una simple demostración con una cuerda. En la región del espacio donde interfieren las dos ondas, la onda resultante tiene una amplitud mayor.
El experimento propuesto resulta muy interesante, ya que permite explorar un fenómeno fundamental de la física de ondas: la interferencia. Este concepto no solo es crucial en el estudio de ondas mecánicas, como las sonoras, sino que tiene aplicaciones directas en otros campos, como la óptica, las telecomunicaciones y la física cuántica. Para enriquecer aún más el aprendizaje, se podría incluir un objetivo adicional que relacione la percepción del sonido (intensidad y tono) con las características físicas de las ondas (frecuencia y amplitud), lo que permitiría a los estudiantes conectar los aspectos teóricos con la experiencia sensorial.