21: Impedancia: Colisiones con Fronteras
Generalmente el término impedancia se refiere a la facilidad con que la energía oscilante se transfiere de un lugar a otro. Hay muchos tipos de impedancia; mecánica, eléctrica, acústica y la impedancia de onda todas tienen definiciones específicas para su uso en diferentes campos. Aquí vamos a investigar brevemente la energía mecánica transferida de un medio a otro. En muchos casos una onda que colisione con una frontera será parcialmente reflejada y parcialmente transmitida. El tipo de onda reflejada y la cantidad de energía transmitida dependen de las propiedades del material a cada lado de la frontera. Esta animación de nuevo simula una cuerda como una fila de masas individuales conectadas por resortes invisibles. En este caso la masa de la cuerda es diferente a la izquierda en comparación con la derecha.
Preguntas:
21.1. Ejecute la simulación y describa lo que sucede cuando un pulso pasa de una cuerda ligera a una cuerda pesada.
21.2. Haga clic en el botón 'Pesada a Ligera' , ejecutar la simulación y describir lo que sucede cuando un pulso va de una cuerda pesada de una cuerda ligera.
21.3. En qué caso el pulso reflejado se invierte? Basado en lo que aprendiste sobre los reflejos de fronteras blandas y duras de la simulación anterior, explicar este resultado.
21.4. En qué caso es el pulso reflejado más grande que el pulso transmitido?
21.5. En qué caso es el pulso reflejado más rápido? Basado en lo que aprendió acerca de cómo las propiedades físicas determinan la velocidad de una onda, explicar este resultado.
En esta simulación el cambio en la masa de la cuerda afecta a la cantidad de energía reflejada y transmitida y las velocidades de las ondas. Si la cadena tenía la misma masa en ambos lados no habría ninguna reflexión. Algo similar sucede cuando dos dispositivos eléctricos están conectados entre sí y un dispositivo envía energía al segundo (por ejemplo, las señales que van de un sistema estéreo para un conjunto de altavoces). En este caso la impedancia está determinada por los componentes (resistencias, condensadores, inductores, etc., en los circuitos) y es dependiente de la frecuencia. Si la impedancia eléctrica de los dos dispositivos es diferente, algo de energía se refleja en lugar de ser transmitida al segundo dispositivo.
21.6. Usted está comprando un sistema de estéreo y un conjunto de altavoces. El estéreo tiene un impedancia de salida de 10 ohmios. Qué impedancia deben tener los altavoces a comprar para obtener el sonido más fuerte?
Una forma de tratar de igualar las impedancias es cambiar gradualmente el medio entre dos valores diferentes. Este es el propósito de la campana en los instrumentos de metal y de madera. Un instrumento como una trompeta no produciría tanto sonido si terminara abruptamente sin campana abocinada en el extremo. Esto es porque hay una desigualdad de impedancia para las ondas en el interior del instrumento (donde la presión está limitado por los lados del instrumento) y la presión exterior.
21.7. ¿Por qué las flautas son más suaves que los trombones?
La campana de un instrumento también afecta a las frecuencias producidas. Si no existe igualdad de impedancia no habrá ninguna onda reflejada que se vuelva al instrumento de la región de campana. Se necesita esta onda reflejada para establecer una onda estacionaria (al igual que la onda estacionaria en una cuerda) en el instrumento para que se produzca un tono.
21.8. En la boquilla de trompeta la onda se refleja en una superficie de "dura". En el otro extremo (la campana) la onda refleja en una frontera que va desde más rígida (dentro de la bocina) a una más suave; una frontera "suave". Basado en esto y en la simulación 16, qué extremo tiene desplazamiento de nodo y qué extremo tiene un desplazamiento antinodo? (Nota técnica: El extremo cerrado en la boquilla no permite el movimiento de aire lo que significa que hay una gran fluctuación de la presión Así que se produce un desplazamiento nodal en el mismo lugar que hay un antinodo de presión y viceversa.).
© 2015, Wolfgang Christian y Kyle Forinash.
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