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• Jetro Gómez Rios

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“ESTUDIOS CUALITATIVOS DE ONDAS SONORAS EN ESTRUCTURAS SOLIDAS”

POR:

GRUPO: CD1

PRESENTADO A: ING. WILFRIDO FERREIRA HADDAD

LABORATORIO DE FISICA CALOR-ONDAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS-CUC BARRANQUILLA – ATLANTICO 16/05/2012

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Introducción Los fenómenos de ondas de impacto y expansión sobre estructuras tienen efectos en muchos casos catastróficos a pesar de su baja probabilidad. Las estructuras solidas no suelen estar diseñadas para resistir este tipo de solicitaciones dinámicas. El análisis cuantitativo y cualitativo del efecto que tienen las ondas sonoras en estructuras solidas nos ayudara a comprender la forma en que se comportan estas ondas. Para realizar este informe recurrimos a varias fuentes bibliográficas y de internet, además de recursos multimedia, con el fin de crear una obra clara y concisa. Esperamos que el presente trabajo sea del agrado del lector.

Introduction

The phenomena of impact and expansion waves on structures have catastrophic effects in many cases despite its low probability. The solid structures are often not designed to withstand this type of dynamical request. The quantitative and qualitative analysis of the effect of sound waves in solid structures help us understand how these waves behave. For this report we sort to various literature and internet sources, as well as multimedia resources to create a clear and concise piece. We hope that this report will please the reader.

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Tabla de contenido Introducción………………………………………………………………………………………..2 Introduction…..…………………………………………………………………………………….2 Planteamiento del problema……..………………………………………………………………4 Objetivos…………………………………………………………………………………………...4 Justificación……………………………..…………………………………………………………4 Marco teórico………………………………………………………………………………………5 Materiales…………………………………………………………………………………………..7 Procedimiento y montaje……………………………….………………………………………...7 Bibliografía…………………………………………………………………………………………8

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Planteamiento del problema ¿De qué manera afectan las ondas sonoras a las estructuras solidas?

Objetivos Objetivo General El objetivo de esta práctica de laboratorio es ver la forma en que la propagación de las ondas sonoras afecta a las estructuras solidas. Objetivo especifico Estudiar el comportamiento de las ondas sonoras en la una masa de tierra Demostrar los efectos de la transmisión de ondas en una masa de tierra

Justificación

Hemos elegido como tema de nuestra experiencia la propagación de ondas sísmicas en una estructura solida, debido a que es importante saber cómo estas ondas interactúan sobre estos cuerpos y cuáles son sus consecuencias en dichas estructuras. Además, este tema es muy importante en la ingeniería civil, industrial y ambiental, lo que varia es el enfoque que le da relevancia a este tema. Para un ingeniero civil, le resultara importante saber la forma en que diversas ondas de origen sísmico afectan la integridad de la estructura en cuestión. Para un ingeniero industrial, es importante conocer la forma en que se propaga una onda para saber cómo gestionar y prevenir los posibles daños que estas puedan causar en una estructura determinada. Para un ingeniero ambiental es importante saber la forma en que actúan las ondas sísmicas y el impacto que estas generan en el ambiente, para saber cómo poder reducir dicho impacto de acuerdo al lugar donde se origina.

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Marco teórico Para entender o comprender lo que ocurre en el desarrollo experimental de esta práctica es necesario comprender algunos conceptos y principios de la física, como: Ondas: Una onda consiste en la propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presión, campo eléctrico o campo magnético, a través de dicho medio, implicando un transporte de energía sin transporte de materia. El medio perturbado puede ser de naturaleza diversa como aire, agua, un trozo de metal e, incluso, inmaterial como el vacío. La magnitud física cuya perturbación se propaga en el medio se expresa como una función tanto de la posición como del tiempo . Matemáticamente se dice que dicha función es una onda si verifica la ecuación de ondas:

Donde v es la velocidad de propagación de la onda. Por ejemplo, ciertas perturbaciones de la presión de un medio, llamadas sonido, verifican la ecuación anterior, aunque algunas ecuaciones no lineales también tienen soluciones ondulatorias. Elementos: Las ondas presentan los siguientes elementos:  Cresta: La cresta es el punto de máxima elongación o máxima amplitud de la onda; es decir, el punto de la onda más separado de su posición de reposo.  Período: El periodo es el tiempo que tarda la onda en ir de un punto de máxima amplitud al siguiente.  Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo.  Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha vibración por unidad de tiempo. En otras palabras, es una simple repetición de valores por un período determinado.  Valle: Es el punto más bajo de una onda.  Longitud de onda: Es la distancia que hay entre el mismo punto de dos ondulaciones consecutivas, o la distancia entre dos crestas consecutivas.  Nodo: es el punto donde la onda cruza la línea de equilibrio.  Elongación: es la distancia que hay, en forma perpendicular, entre un punto de la onda y la línea de equilibrio.  Ciclo: es una oscilación, o viaje completo de ida y vuelta. Es decir cuando inicia en posición cero hasta que pasa dos veces más por la posición cero o en otras palabras cuando ocurre un valle y una cresta. Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar. Todas las ondas pueden experimentar los siguientes:



Difracción - Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo.

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Imagen 1: Difracción de la luz al ser obstruida por una pelota de tenis 

Efecto Doppler - Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas.

Imagen 2: Representación del efecto doppler 

Interferencia - Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio.

Imagen 3: de izquierda a derecha, interferencia de onda constructiva e interferencia de onda destructiva. 

Reflexión - Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección.

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Imagen 4: Reflexión de ondas generadas en el agua al chocar con el borde. 

Refracción - Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad.

Imagen 5: Refracción de la imagen de un lápiz en el agua. 

Onda de choque - Ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen formando un cono.

Imagen 6: Ondas de choque generadas por un jet.

Las ondas se pueden clasificar según el tipo de soporte para la propagación y la dirección en que vibran las moléculas del medio. Según el tipo de soporte para la propagación: -Ondas electromagnéticas:

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  

Son capaces de transmitir energía a través del espacio No necesitan de un medio físico para propagarse Por ejemplo, las ondas luminosas

-Ondas mecánicas:  No pueden transmitir energía a través del vacio  Necesitan un medio físico, elástico para propagarse  Por ejemplo, las ondas sonoras

Según la dirección en que vibran las moléculas del medio: -Ondas trasversales: Son aquellas en las moléculas del medio se mueven (vibran) en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la energía.

Imagen 7: Ilustración de una onda trasversal -Ondas longitudinales: Son aquellas en que las moléculas del medio se mueven (vibran) en una dirección paralela a la que se propaga la energía, como es el caso de las ondas sonoras.

Imagen 8: Ilustración de una onda longitudinal En las ondas longitudinales el movimiento de vaivén de las moléculas crea regiones dentro del medio, en que:

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 

Las moléculas están comprimidas, más juntas de lo normal: zonas de compresión o presión alta. Las moléculas están separadas de lo normal: zonas de rarefacción o presión baja

Puesto que una onda sonora es una onda longitudinal, conformada por un patrón en el, que se suceden zonas de alta y baja presión que se mueven a través de un medio, a veces se denomina onda de presión.

Imagen 9: Onda de presión

Una vez que conocemos las características de las ondas en general, explicaremos que son ondas sonoras De lo dicho hasta ahora se deduce que las ondas sonoras:  Tienen su origen en una perturbación que provoca el desplazamiento de al menos una molécula del medio a su posición de reposo.  El desplazamiento de las moléculas da como origen un movimiento de ida y vuelta (vibración).  La repetición de la vibración genera la onda sonora.  Depende de las moléculas para transportar energía  Las ondas sonoras no se transmiten en el vacio para propagarse, ya que depende de las moléculas.  De acuerdo al punto anterior, las ondas sonoras son ondas mecánicas.  El movimiento de las moléculas del medio es paralelo a la dirección en que se transmite la energía (es decir, son ondas longitudinales. Tipos de ondas sonoras Las ondas sonoras se suelen clasificar según:  La regularidad de sus vibraciones  El numero de vibraciones

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- Según l La regularidad con que se producen las vibraciones en el foco o cuerpo elástico que origina la onda, se distinguen:  Ondas sonoras periódicas: o Son aquellas en que el número de vibraciones por unidad de tiempo es constante. o Las vibraciones se repiten a intervalos regulares o La repetición es la característica más importante de todo fenómeno periódico.

 Ondas sonoras aperiódicas o no periodicas: o Son aquellas en que el número de vibraciones por unidad de tiempo no es constante. o No se repiten a intervalos regulares o La irregularidad o falta de presencia de un patrón es la característica más importante. -Según el número de vibraciones, se diferencian:  Ondas sonoras simples: o Son aquellas que resultan de una única vibración. o Son siempre periódicas o También se llaman ondas sinusoidales, tono puro o movimiento armónico simple.

 Ondas sonoras complejas: o Son aquellas que resultan de la interacción de varias vibraciones simples simultáneas. o Pueden ser periódicas o aperiódicas. o Son el tipo de ondas sonoras habituales en el habla en particular y en general, en la realidad. o También este tipo de ondas es denominado ondas compuestas. Para determinar la velocidad de propagación de las ondas en un medio solido se usa la siguiente ecuación √ Donde “E” es el Modulo de Young y

es la densidad del medio.

El módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young. Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracción a una barra, aumenta de longitud. Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse empíricamente mediante ensayo de tracción del material. Además de este módulo de elasticidad longitudinal, puede definirse el módulo de elasticidad transversal de un material. Para materiales no lineales es: Donde

es la variación del esfuerzo aplicado y

es la variación de la deformación unitaria.

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Ahora que entendemos que son ondas sonoras, debemos definir que son sismos. Un sismo es una sacudida del terreno que ocurre por el choque de placas tectónicas y liberación de energía en el curso de una reorganización brusca de materiales de la corteza terrestre al superar el estado de equilibrio mecánico. Las actividades tectónicas y volcánicas son las causas principales por las que se generan los sismos, muchos factores adversos pueden originarlos:  Acumulación de sedimentos, por: desprendimientos de rocas en las laderas de las montañas, hundimiento de cavernas.  Modificación del régimen de precipitación pluvial, que altera cuencas y cauces de ríos, así como estuarios.  Variaciones bruscas de la presión atmosférica por ciclones. Las vibraciones en la tierra generan eventos de baja magnitud, que al alcanzar una cierta magnitud pueden llegar a catalogarse en el rango de microsismos. El movimiento sísmico se propaga mediante ondas elásticas (similares a las del sonido) a partir del hipocentro. Las ondas sísmicas son de tres tipos principales: 





Ondas longitudinales, primarias o P. Ondas de cuerpo que se propagan a velocidades de 8 a 13 km/s en el mismo sentido que la vibración de las partículas. Circulan por el interior de la Tierra, donde atraviesan líquidos y sólidos. Son las primeras que registran los aparatos de medición o sismógrafos. De ahí su nombre «P». Ondas transversales, secundarias o S. Son ondas de cuerpo más lentas que las anteriores (entre 4 y 8 km/s). Se propagan perpendicularmente en el sentido de vibración de las partículas. Atraviesan únicamente sólidos. En los sismógrafos se registran en segundo lugar. Ondas superficiales. Son las más lentas: 3,5 km/s. Resultan de interacción de las ondas P y S a lo largo de la superficie terrestre. Son las que causan más daños. Se propagan a partir del epicentro. Son similares a las ondas (olas) que se forman sobre la superficie del mar. En los sismógrafos se registran en último lugar.

Imagen 10: Representación de las ondas que causan un sismo.

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Materiales      

Caja de madera. Un bajo Cronometro Una lamina de madera Arena Una fuente de energía

Procedimiento y montaje Primero construimos la caja de madera, las dimensiones deben ser tales que el bajo pueda entrar en ésta. Tomamos el bajo y lo fijamos al fondo de la caja. Creamos unas ranuras en la caja por las que puedan salir los cables de suministro de energía al bajo. Colocamos la fuente de poder a los extremos libres del cable del bajo. Tomamos la lámina de madera y la colocamos sobre la caja. Luego la fijamos Colocamos la arena sobre la lámina de madera. Encendemos el bajo y anotamos las observaciones respectivas

Figura 1. Ensamble del bajo y la caja

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Figura 2.Montaje final de la experiencia

Bibliografía 

Jasón Barquillo y Rick Rothar, Mecánica de suelos Tomo 1 y 2, 3ra edición. Editorial Gaia, paginas 154-163 y 502-505

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Diccionario de ingenieria, editorial Circulo de Luz, paginas 195,198, 212 y 218



Lambe, Thomas William y Whitman, Robert V. Mecánica de suelos, editorial Limusa, paginas 111-113

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[http://civilgeeks.com/2011/02/08/conceptos-basicos-de-sismologia-para-ingenieros/] consulta 15/04/2012

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[http://es.wikipedia.org/wiki/Sismo] Consulta 10/04/2012

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[http://es.wikipedia.org/wiki/Módulo_de_Young] consulta 11/05/2012

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