El so
El so consisteix en una forma d'energia originada per la vibració d'un cos que es transmet amb ones mecàniques i que és capaç d'estimular el sentit de l'oïda. La producció de so requereix tres elements fonamentals:
- Un focus sonor, l'existència d'un cos que vibri.
- La presència d'un medi material elàstic que permeti la propagació de les pertorbacions produïdes pel focus sonor.
- Un agent receptor, com ara l'orella humana.
Les ones sonores són longitudinals, ja que les partícules del medi transmissor vibren en la direcció de propagació d'ones. A sota es representa gràficament els canvis de pressió del medi, aleshores s'obtenen les corves:
Per tant, des d'un punt de vista físic, el so és una vibració mecànica que es propaga en forma d'ona a través de la matèria (sòlida, líquida o gasosa). Les ones generades per vibració s'anomenen ones sonores.
La part de la Física que s'encarrega de l'estudi de la seva naturalesa, la manera com es propaga i de les seves qualitats s'anomena acústica.
La velocitat de propagació del so depèn de les característiques (naturalesa) del medi a través del qual es propaga:
La part de la Física que s'encarrega de l'estudi de la seva naturalesa, la manera com es propaga i de les seves qualitats s'anomena acústica.
La velocitat de propagació del so depèn de les característiques (naturalesa) del medi a través del qual es propaga:
- Com més dens sigui el material, més ràpida serà la velocitat de propagació de l'ona sonora.
- Com més rígid sigui el material, més ràpida serà la velocitat de propagació de l'ona sonora.
- La velocitat del so en els gasos és més petita que en els líquids.
- La velocitat del so en els líquids és més petita que en els sòlids.
 |
| Velocitats del so segons el medi a través del qual es propaguen. |
Alguns exemples de velocitats de propagació del so:
- A l'aire: 340 m/s
- A l'aigua: 1 600 m/s
- A través de la fusta: 3 900 m/s
- A través de l'acer: 5 100 m/s
- A través de l'alumini: 6 400 m/s
 |
| En l'espai, en absència d'un medi com l'aire, la possibilitat de què s'estimulin els òrgans interns de l'oïde es nul·la. I encara que sembli extrany o il·lògic no podríem escoltar res (ni una explosió nuclear). |
 |
| Imatge d'un F/A 18 trencant la barrera del so. Aquest avió pot assolir una velocitat en alçada de 1,8 Mach (2 000 km/h). El núvol és ocasionat per la Singularitat de Prandtl-Glauert. |
Paràmetres físics i unitats de mesura del so
Segons la teoria d'ones, els paràmetres físics que defineixen una ona són:
- Freqüència.
- Amplitud.
- Longitud d'ona.
- Període.
 |
| Esquema gràfic d'una ona sinusoïdal amb indicació dels seus paràmetres físics. |
Freqüència:
En mecànica ondulatòria, la freqüència es defineix com el nombre d'oscil·lacions per unitat de temps (generalment, per segon). Entenent per oscil·lació el cicle complet d'una ona.
Si es produeixen moltes oscil·lacions en un segon estarem parlant d'altes freqüències, si, al contrari, són poques, parlem de baixes freqüències.
La freqüència es representa amb la lletra (f) i s'expressa en hertzs (Hz).
1 Hz equival = 1 cicle/s
1 Quilohertz (kHz) = 1 000 Hz
1 Megahertz (MHz) = 1 000 000 Hz
1 Megahertz (MHz) = 1 000 000 Hz
1 Gigaherz (GHz) = 1000 000 000 Hz
L'oïda humana és capaç de percebre freqüències entre 20 i 20.000 Hertzs (cicles per segon). Aquesta resposta en freqüència de l'oïda humana és el que coneixem com audiofreqüències, però l'espectre sonor és molt més ampli.
Amplitud:
En acústica, l'amplitud és la quantitat de pressió sonora que exerceix la vibració en el medi elàstic (aire). Així, l'amplitud determinarà la quantitat d'energia (potència acústica) que conté un senyal acústic.
No deu confondre's amplitud amb volum o potència acústica, malgrat que és cert que com més fort se sent un so, major amplitud té, perquè s'exerceix una pressió major sobre el medi.
En definitiva, l'amplitud d'una ona és el valor màxim, tant de positiu com a negatiu, que pot arribar a adquirir l'ona sinusoide.
 |
| Esquema gràfic de tres ones sinusoïdals amb igual amplitud però diferent longitud d'ona. |
- El valor màxim positiu que pren l'amplitud d'una ona sinusoïdal rep el nom de pic o cresta.
- El valor màxim negatiu, ventre o vall.
- El punt on el valor de l'ona s'anul·la al passar del valor positiu al negatiu, o viceversa, es coneix com node, zero o punt d'equilibri.
En so, normalment, l'amplitud ve definida en decibels SPL (
), o també dBA:
), o també dBA:
Les ones van debilitant-se en la seva amplitud amb forme van allunyant-se del seu punt d'origen. Malgrat que l'amplitud de les ones decreix, la seva longitud d'ona i la seva freqüència romanen invariables.
Longitud d'ona:
La longitud d'ona és el paràmetre físic que indica la mida d'una ona. Entenent per la grandària de l'ona, la distància entre el principi i el final d'una ona completa (cicle). Així, la longitud d'ona es defineix com la separació espacial existent entre dos punts l'estat de moviment de la qual és idèntic.
La longitud d'ona és igual a la velocitat de propagació de l'ona en el medi dividida per la seva freqüència.
La longitud d'ona és igual a la velocitat de propagació de l'ona en el medi dividida per la seva freqüència.
 |
| La longitud d'ona es representa amb la lletra grega lambda. |
En so, la longitud d'ona es mesura en metres, com qualsevol altra distància.
Es poden usar els múltiples del metre com el quilòmetre o els seus submúltiples com el centímetre (cm), el mil·límetre (mm) i el nanòmetre (nm).
En el SI la unitat de la longitud d'ona sonora és el nanòmetre (nm) o el micròmetre (µm):
1 nm = 10-9 m
1 µm = 10-6 m
L'impacte del so sobre un obstacle
Quan les ones soneres impacten sobre un obstacle, poden succeir diferents fenòmens físics:
Quan les ones soneres impacten sobre un obstacle, poden succeir diferents fenòmens físics:
La reflexió de les ones:
Una ona quan topa amb un obstacle que no pot traspassar ni rodejar, es reflecteix: rebota al medi del qual prové.
La mida de l'obstacle i la longitud d'ona determinen si una ona rodeja l'obstacle o rebota cap a la direcció de què provenia.
- Si la distància que separa el focus emissor de l'obstacle és de, com a mínim, 17 metres, el temps que triga l'ona sonora a xocar i a retornar reflectida és de, com a mínim, 0'1 segons: el temps mínim que necessita l'oïda humana per distingir dos sons diferents. En aquest cas, l'oïda identifica l'ona reflectida com un so diferent de l'original i percebem l'eco.
 |
| Per tal de què es produeixi el fenomen de l'eco, la distància entre el focus sonor o emissor i el medi ha de ser de 17 metres o més. |
- Si la distància que separa el focus emissor de l'obstacle és inferior a 17 metres, l'oïda barreja el so inicial amb el so reflectit i es produeix la reverberació.
 |
| La reverberació és el resultat dels rebots i reflexions que es produeixen en un espai tancat. |
Quan una ona sonora arriba a una superfície, la major part de la seva energia es reflecteix, però un percentatge d'aquesta és absorbida pel nou medi. Tots els medis absorbeixen un percentatge d'energia que propaguen, cap d'ells és completament opac.
Les propietats del so
Les propietats que ens permeten diferenciar uns sons dels altres són:
Les propietats que ens permeten diferenciar uns sons dels altres són:
La intensitat
- Indica la quantitat d'energia que transporta l'ona sonora i que ens arriba a l'oïda.
- La intensitat ens permet diferenciar els sons forts dels febles.
- En el sistema internacional, la unitat de mesura és el decibel (dBA).
- Silenci: 0 dBA
- Petjada: 10 dBA
- Fulles dels arbres en moviment: 20 dBA
- Conversació en veu baixa: 30 dBA
- Biblioteca: 40 dBA
- Despatx tranquil: 50 dBA
- Conversació: 60 dBA
- Trànsit d'una ciutat: 80 dBA
- Aspiradora: 90 dBA
El to
- Ve determinat per la freqüència de l'ona sonora, que és el nombre de vibracions per segon.
- Aquesta característica ens permet distingir entre els sons aguts i els greus.
- En el sistema internacional, la unitat per mesurar el to és l'hertz (Hz).
El timbre
Segons la producció de la llum podem trobar:
L'impacte de la llum sobre un obstacle
Quan els raigs de llum arriben a un cos, poden travessar-lo, tal com succeeix amb la llum que passa de l'aire a l'aigua, o bé poden xocar-hi i rebotar, com passa amb la llum que incideix en un mirall.
La reflexió de la llum
La reflexió de la llum es el canvi de direcció que experimenta la llum en xocar contra un cos sense travessar-lo.
A la reflexió, la llum només canvia de direcció, ja que el medi de propagació continua sent el mateix.
Tots els cossos reflecteixen part de la llum que els arriba, però no tots ho fan amb la mateixa intensitat ni de la mateixa manera.
La refracció de la llum
La refracció de la llum és el canvi de direcció que experimenta la llum en passar d'un medi a un altre en el qual la velocitat de propagació és diferent.
Les propietats de la llum
La intensitat de la llum
La intensistat de la llum es relaciona amb la quantitat d'energia transportada per un raig de llum:
Els materials i la llum
Segons la capacitat d'un material per deixar passar la llum, els cossos poden ser transparents, translúcids o opacs.
La formació d'ombres i penombres
- Permet distingir el so dels diversos instruments i de les veus de les persones.
- El conjunt de totes les freqüències en què vibren els cossos ens permet distingir dos o més sons encara que tinguin el mateix to i la mateixa intensitat.
La llum
La llum consisteix en una forma d'energia radiant que es propaga pel buit i per medis transparents com ara l'aigua i l'aire. Aquesta forma de propagació de l'energia constitueix ones lluminoses.  |
| La llum que incideix sobre la Terra procedeix del Sol. Una part de l'energia emesa per aquest astre arriba sobre el nostre planeta després d'haver viatjat 150 milions de quilòmetres. |
Segons la producció de la llum podem trobar:
- Fonts lluminoses: cossos capaços d'emetre llum pròpia. La seva matèria es troba a temperatures elevades.
- Cossos il·luminats: la resta d'objectes que no emeten llum pròpia i que solament són percebuts quan reflecteixen la llum que incideix sobre seu.
La llum es propaga en línia recta, raó per la qual es deixa de veure quan un cos s'interposa en el seu recorregut. La llum es propaga en totes els direccions, raó per la qual quan encenem una làmpada d'una habitació, la llum arriba a tot arreu. La trajectòria que segueix la llum es pot simplificar mitjançant línies rectes imaginàries que anomenen raigs lluminosos. Els conjunt de raigs lluminosos origina un feix de llum.
 |
| La llum que emet una font lluminosa viatja en totes direccions, en línia recta i a una velocitat de 300 000 km/s. |
La velocitat de propagació de la llum també varia segons el medi pel qual es propaga:
- En el buit: 300 000 km/s
- A través de l'aire: 300 000 m/s aproximadament.
- A través l'aigua: 225 000 km/s
- A través del gel: 229 182 km/s
- A través de l'alcohol: 220 425 m/s
- A través d'un vidre: 197 400 m/s
- A través d'un diamant: 124 480 m/s
 |
| Imatge captada amb una càmera que permet "fotografiar" el moviment de la llum. "No hi ha res en l'univers que es vegi ràpid amb aquesta càmera" (Andrea Velten_MIT) |
L'impacte de la llum sobre un obstacle
Quan els raigs de llum arriben a un cos, poden travessar-lo, tal com succeeix amb la llum que passa de l'aire a l'aigua, o bé poden xocar-hi i rebotar, com passa amb la llum que incideix en un mirall.
La reflexió de la llum
La reflexió de la llum es el canvi de direcció que experimenta la llum en xocar contra un cos sense travessar-lo.
A la reflexió, la llum només canvia de direcció, ja que el medi de propagació continua sent el mateix.
Tots els cossos reflecteixen part de la llum que els arriba, però no tots ho fan amb la mateixa intensitat ni de la mateixa manera.
 |
| La reflexió pot ser especular, quan es produeix a les superfícies planes i polides (miralls) o difusa, quan es produeix en superfícies rugoses i provoca reflexions en moltes direccions. |
La refracció de la llum
La refracció de la llum és el canvi de direcció que experimenta la llum en passar d'un medi a un altre en el qual la velocitat de propagació és diferent.
 |
| La velocitat de la llum en l'aire es més gran que en l'aigua. Quan la llum passa de l'aire, perd velocitat i, a causa d'aquest canvi, també modifica la direcció en què es propaga. |
Les propietats de la llum
La intensitat de la llum
La intensistat de la llum es relaciona amb la quantitat d'energia transportada per un raig de llum:
- Com més energia, més intensa és la llum.
- Com més ens apropem a una font lluminosa, més intensa és la llum que es percep.
Els materials i la llum
Segons la capacitat d'un material per deixar passar la llum, els cossos poden ser transparents, translúcids o opacs.
 |
| Els materials transparents permeten el pas de la llum a través seu i deixen observar amb nitidesa els objectes que hi ha darrere. L'aigua i el vidre són materials transparents. |
 |
| Els materials translúcids, com el vidre esmerilat, permeten el pas dels fotons però els desvien en totes direccions. A través d'ells no es pot observar amb nitidesa els objectes que hi ha darrere. |
 |
| Els materials opacs es caracteritzen pel fet que no deixen passar la llum i, per tant, no permeten veure què hi ha al seu darrere. Els metalls, la fusta, el cartró són exemples de materials opacs. |
La formació d'ombres i penombres
 |
| Els eclipsis de Sol i de Lluna que es veuen des de la Terra són un exemple de formació d'ombres i penombres. |
- Quan un cos opac s'intersposa entre un focus de llum i una pantalla, darrere seu es forma l'ombra: una zona fosca la forma de la qual ve determinada per la silueta de l'objecte.
- Si el focus lluminós és molt gran o bé és petit però es troba a prop de l'objecte, als marges de l'ombra es genera una zona de penombra, parcialment il·luminada.
Els colors de la matèria
Els colors dels cossos s'observen quan estan il·luminats. En absència de llum, no es percep el color.
Un objecte il·luminat amb llum blanca absorbeix part de les ones lluminoses i en reflecteix les altres.
El color dels objectes depèn de la llum que reflecteixen i que arriba fins als nostres ulls:
Els colors dels cossos s'observen quan estan il·luminats. En absència de llum, no es percep el color.
Un objecte il·luminat amb llum blanca absorbeix part de les ones lluminoses i en reflecteix les altres.
El color dels objectes depèn de la llum que reflecteixen i que arriba fins als nostres ulls:
- Si una superfície no absorbeix cap color i els reflecteix tots, percebrem l'objecte de color blanc.
- Si una superfíce absorbeix tots els colors i no en reflecteix cap, observem l'objecte de color negre.
- Si la superfície absorbeix tots els colors menys un, veiem l'objecte del color que no ha absorbit (altres colors).
De tot l'espectre de la llum solar (conjunt d'ones lluminoses que emet el Sol) només podem percebre les ones que produeixen les llums dels colors següents: el violat, l'indi, el blau, el verd, el groc, el taronja i el vermell. Les ones que produeixen aquests colors constitueixen el que s'anomena l'espectre visible.
 |
| Espectre de la llum solar on es detalla l'espectre de llum blanca o llum visible. |
A l'esquema gràfic de l'espectre de la llum solar observem que l'espectre de la llum visible queda comprès entre:
- Raigs gamma: és una forma de radiació electromagnètica, la més energètica de l'espectre (fotons de longitud d'ona més curta o de freqüència més alta). Els raigs gamma només es produeixen en les desintegracions radioactives de nuclis, o en processos de molt altes energies, com en el cas de la radiació de sincrotó.
- Raigs X: poden ser antropogèncis o naturals, segons si són generats pels humans o s'han format de manera espontània a la natura.
- Radiació ultraviolada (UV): és la radiació que no podem percebre. L'energia associada a aquest tipus d'ones és més gran que la de la llum visible.
- Radiació visible: és la fracció de l'espectre de la llum solar que el sentit de la vista humà pot percebre. El valor de l'energia associada a aquest tipus de radiació és inferior a la llum ultraviolada i superior a la radiació infraroja.
- Radiació infraroja (IR): és una radiació que no podem percebre. L'energia associada a aquest tipus d'ones és més petita que la de la radiació ultraviolada i que la visible.
- Ones microones.
- Ones de ràdio.
 |
| Es denomina cercle cromàtic al resultat de distribuir al voltant d'un cercle els colors que conformen el segment de la llum visible de l'espectre solar, mantenint un ordre correlatiu. |
