• Author / Uploaded
• Cristian Lara

Citation preview

Velocidad de la luz Velocidad de la luz y la observación del pasado En la antigüedad, los filósofos griegos, hindúes y árabes diferían en sus creencias acerca de si la luz viajaba a velocidad finita o si tenía una rapidez infinita (Empédocles, Aristóteles). Más recientemente, Johannes Kepler (1571 - 1630), Francis Bacon (1561 1626), Descartes (1596 - 1650) y muchos otros filósofos y matemáticos argumentaron a favor de que la luz viajaba a velocidad infinita. La medición de la velocidad del sonido (340 m/seg) es relativamente sencilla para un investigador que disponga de los medios adecuados para conseguirlo. En cambio, la luz viaja en el vacío a 300.000 km/seg, casi un millón de veces más rápido que el sonido. Es tremendamente difícil efectuar esta medición y la mayor parte de los primeros experimentos para intentar medir la velocidad de la luz fracasaron. El primero que descubrió experimentalmente que la luz viaja a gran velocidad, pero no a una velocidad infinita, fue el astrónomo danés, Ole Christensen Rømer (1644 1710), en el año 1676. Observando y midiendo los tiempos de los eclipses de la luna Io de Júpiter, la que está más cerca del planeta que las otras tres conocidas en ese tiempo, descubrió que los tiempos entre dos ocultaciones del satélite, aumentaban cuando Júpiter estaba a mayor distancia de la Tierra.

Supuso, y supuso bien, que Io no cambiaba su velocidad de traslación por el hecho de que Júpiter estuviera más lejos. Entonces, la diferencia de tiempo sólo podía deberse a que la luz tardaba más en llegar a la Tierra cuando Júpiter estaba más lejos. Este fue un descubrimiento que hace a Ole Romer acreedor del agradecimiento de la humanidad. Desde entonces ya sabemos con certeza que la luz tiene una velocidad limitada.

Aunque Romer no calculó la velocidad de la luz, dejó el camino preparado para que uno de sus discípulos emprendiera el trabajo de calcularla. Este encontró que la luz viajaba a 225.000 km/seg. En realidad la cifra es de 300.000 km/seg, pero no por eso el cálculo deja de tener un enorme mérito. En 1728, la comunidad científica aceptó definitivamente que la velocidad de la luz es muy grande, pero finita, cuando el astrónomo inglés James Bradley (1693 - 1792) mediante comparaciones de la velocidad de la Tierra en su órbita, dedujo que la velocidad de la luz era de 298.000 km/seg, Un siglo más tarde, en el año 1849, Hyppolite Fizeau (1819 - 1896), llevó a cabo un experimento que era conceptualmente similar a otro propuesto por Galileo. El resultado encontrado fue que la velocidad de la luz es de 313.000 km/s. Poco después, en 1862, el físico francés Leon Foucault (1819 - 1868) introdujo mejoras en el método de Fizeau y encontró un valor estimado de 298.000 km/seg. El método de Foucault también fue usado por Simon Newcomb y Albert Michelson, Este último comenzó su larga carrera científica replicando y mejorando este método. En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson y la montaña San Antonio en California. Las medidas exactas dieron como resultado una velocidad de 299.796 km/seg. James Clark Maxwell (1831 - 1879) fue un físico escocés dotado de una de las mentes matemáticas más preclaras de todos los tiempos. Su contribución a la ciencia es comparable a las de Isaac Newton, de Max Planck y de Albert Einstein. En el año 1865, Maxwell formuló cuatro ecuaciones que de forma sencilla y elegante resumen y completan las leyes que Gauss, Faraday y Ampère habían establecido para el estudio del magnetismo y de la electricidad. Las ecuaciones de Maxwell establecen uno de los hitos más importantes de la historia. Utilizando sus ecuaciones, Maxwell predijo la existencia de "ondas electromagnéticas" y avanzó la idea de que la luz era simplemente una onda electromagnética que se propaga a través del éter. Lo más interesante, en lo que ahora nos ocupa, es que, trabajando con sus ecuaciones, Maxwell dedujo que la luz se propaga a una velocidad de 300.000 km/seg. Esto es una demostración más de la enorme capacidad que tienen los modelos matemáticos para predecir los comportamientos de la materia, incluso sin necesidad de la observación experimental. La observación confirmó posteriormente esta genial deducción. Desde el 21 de octubre de 1983, la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal y su valor está establecido en 299.792.458 m/seg. De ordinario se utiliza el valor aproximado de 300.000.000 m/seg y 300.000 km/seg. Se simboliza con la letra c (del latín celerites, celeridad o rapidez), y también es conocida como la constante de Einstein. Los nombres de Albert Michelson y Edward Morley están ligados a uno de los experimentos más famosos de la física, el realizado en 1887 y que demostró que la velocidad de la luz es constante y que no necesita que exista en el espacio un elemento (el éter) para su propagación.

Gracias al experimento de Michelson-Morley se descubrió que la realidad de la velocidad de la luz es distinta a lo que sugiere el "sentido común". Veaamos un ejemplo del concepto de velocidad en la física tradicional. "El conductor de un coche que va a 100 km/hora, ve acercarse otro coche que viene por el carril contrario a 80 km/hora". Pregunta: ¿cuál es la velocidad que perciben ambos conductores con respecto a la del coche contrario? Respuesta correcta: cada uno de ellos percibe que el otro coche va a 180 Km/hora. Segundo ejemplo: "El conductor de un coche que va a 80 km/hora, ve pasar a su lado otro coche que viene a 100 km/hora". Pregunta: ¿cuál es la velocidad que perciben ambos conductores con respecto a la del coche contrario? Respuesta correcta: cada uno de ellos percibe que el otro coche va a 20 Km/hora. Pues bien, el experimento de Michelson-Morley demostró que la luz llega al observador terrestre con la misma rapidez, cualquiera que sea la dirección de donde proceda, independientemente del movimiento de traslación de la Tierra. Podría esperarse que cuando la Tierra se mueve contra la luz que viene, la velocidad detectada sería mayor que cuando la luz persigue a la Tierra. Esta suposición tan de "sentido común" no se cumple. El experimento de Michelson y Morley confirmó que la velocidad de la luz en el vacío es constante. En el año 1905, Albert Einstein (1879 - 1955) publicó su teoría de la relatividad especial. El segundo de los dos postulados en los que se basa esta famosa teoría, expresa que "la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, independientemente de la velocidad de los observadores o de la fuente luminosa. Esta velocidad es de 300.000 km/seg". El modo intuitivo de medir la velocidad no funciona para la luz. Supongamos que un astronauta que viaja a 50.000 km/seg mide la velocidad de un rayo de luz que le llega de frente. El resultado de la medición será de 300.000 km/seg, no de 350.000 km/seg como suponemos todos los que usamos los cálculos que hacemos desde que así nos lo enseñó el genial Galileo Galilei. Es interesante recalcar el concepto de absoluto, que fue expresado por Einstein, para la velocidad de la luz. Que la velocidad de la luz sea constante, ya es de por sí extraordinario. Sin embargo, mucho más imprevisible es que diferentes observadores que se mueven unos con respecto a otros obtendrían todos los mismos resultados si midieran la velocidad de la luz. Por tal motivo se dice que esa velocidad es un absoluto. Con respecto al tiempo, éste no transcurre de la misma manera para todos los observadores. Según la teoría

Eins

de Newton el tiempo es un absoluto, el tiempo no es relativo. En cambio, en la teoría de Einstein, el tiempo es relativo y puede transcurrir de distinta forma para diferentes observadores,

Sabiendo que la velocidad de la luz es limitada, podemos reconstituir la historia de las estrellas de forma similar a como los antropólogos reconstruyen el pasado de la humanidad a partir de fósiles abandonados en las cavernas. Los astrofísicos tienen una inmensa ventaja sobre los antropólogos: pueden ver directamente el pasado. . La luz viaja muy rápido, a 300.000 kilómetros por segundo. Sabemos que tarda poco más de un segundo en llegarnos desde la Luna, ocho minutos en llegarnos desde el Sol, cuatro años en recorrer el camino desde Alfa Centauro la estrella más cercana, ocho años desde la estrella Vega y millones de años desde algunas galaxias.

Por lo tanto, cuando los nuevos telescopios permiten observar una galaxia que está a 5.000 millones de años luz de distancia, la imagen que nos llega es la de la galaxia tal como se encontraba hace 5.000 millones de años. La imagen enfocada por el telescopio revela un momento ya pasado en la historia del universo. Al mirar la imagen, el ser humano está contemplando el pasado. Si hubiera un gran espejo en una estrella situada a 1.000 años luz de la Tierra y si pudiéramos ver la Tierra reflejada en ese espejo, nos asombraría contemplar lo que sucedía en nuestro planeta hace 2.000 años.

El telescopio es una máquina para retroceder en el tiempo. Al revés de los historiadores, que jamás podrán contemplar con sus ojos la Roma antigua, los astrofísicos verdaderamente pueden ver el pasado y observar los astros tal como fueron hace millones de años. Vemos la nebulosa de Orión tal como era a fines del Imperio romano. Y la Nebulosa de Andrómeda, visible a simple vista, es una imagen que tiene dos millones de años. Si hubiera habitantes en Andrómeda y contemplaran en este mismo instante a nuestro planeta, lo verían con el mismo desfase de tiempo. Descubrirían la Tierra de los primeros hombres, lo que había en nuestro planeta hace dos millones de años.

En sentido estricto, nunca se puede ver el estado presente del mundo. Cuando alguien mira a otra persona situada a medio metro de distancia, ve lo que había hace una pequeñísima fracción de segundo, el tiempo que la luz ha tardado en llegar al ojo.

Resulta imperceptible para nuestra conciencia, los seres humanos no desaparecen en ese lapso y se puede suponer que la otra persona sigue estando allí. Lo mismo ocurre con el Sol, pues se puede suponer que nada importante ha cambiado en el astro rey en los ocho minutos que emplea la luz en llegar a la Tierra. Algo similar sucede con las estrellas que están en nuestra galaxia (la Vía Láctea), pues están relativamente cerca. Pero las cosas son muy diferentes con los astros lejanos que detectamos con poderosos telescopios. El cuásar que vemos a 12.000 millones de años luz de distancia, quizás ya no exista en la actualidad. El análisis de la luz que vemos, nos revela exactamente lo que había ahí hace 12.000 millones de años. En el CERN, Javier Serrano y Pablo Álvarez (de Castellón) son los dos únicos españoles miembros del equipo de científicos que logró medir que los neutrinos viajan a una velocidad de 25 partes por millón por encima de la velocidad de la luz. Serrano y Álvarez son los diseñadores del sistema de sincronización del experimento (con una precisión entorno al nanosegundo (una milmillonésima de segundo). No cabe duda de que la confirmación de la veracidad de estos resultados tendrán una enorme incidencia en las teorías actuales de la física.

https://astrojem.com/teorias/velocidadluz.html

La velocidad de la luz Definición de la Luz La luz es un fenómeno de onda visibles que corresponde a una pequeña gama de vibraciones electromagnéticas que se encuentran en el espectro electromagnético. La naturaleza de la luz es la mecánica cuántica a la que es a la vez onda y partícula. La luz tiene una longitud de onda, que determina el color, como la luz roja en la longitud de onda de 700 nm, el Naranja 650 nm, Amarillo 600 nm, Verde 550 nm, Azul 500 y Violeta 450 nm. Esta ventana es elegido por el ojo humano a especializarse. Pero la luz invisible se extiende sobre un campo más amplio electromagnética. Maxwell encontró que la luz es una onda electromagnética y no hay razón para limitar la longitud de onda de éstos, en el intervalo correspondiente al espectro de luz visible, el espectro es la luz. Desde entonces, se observó que las longitudes de onda electromagnética oscilan entre 10-16 m, y varios miles de kilómetros. Diferentes ventanas del espectro electromagnético se caracterizan por una longitud de onda, pero también por un rango de frecuencias definido.

Velocidad de la luz

Traducción automática Por ejemplo, una onda de radio es una onda electromagnética cuya frecuencia es inferior a 3.000 GHz, una longitud de onda superiores a 0,1 mm. La frecuencia es el número de oscilaciones electromagnéticas que pasan por un punto dado en un segundo. Ella habla con la unidad de frecuencia que es Hertz. Más de la longitud de onda es más corta, la frecuencia es mayor a frecuencias muy altas. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda. La velocidad de la luz se conoce como velocidad c, es una constante física, como en el vacío ya que los fotones tienen masa cero. La radiación electromagnética tiene típicamente una velocidad constante en el vacío y en "línea recta", que se llama velocidad de la luz. Se fija en 299.792.458 m / s Imagen: El espectro electromagnético incluye todas las ventanas de la luz. Esta foto fue tomada del Sol en el ultravioleta a una longitud de onda de 171 nm angstroms o 17.1 nm. Créditos: nave espacial SOHO instrumento EIT (Extreme Ultraviolet Imaging Telescope). ESA / NASA

En 1905, Albert Einstein (1879 - 1955), publicó una teoría que cambió nuestra representación del mundo. Él descubrió que el tiempo fluya más lentamente y que el espacio puede contratar. En el siglo 19 se pensaba que todas las ondas necesitan un medio para viajar como el aire o el agua con el sonido. Nos imaginamos que las ondas de luz que viajan a sotavento del éter lumínico. Al final del siglo 19, dos físicos, Albert Abraham Michelson (1852-1931) y Edward Williams Morley (1838-1923) trató de determinar el flujo del éter midiendo la velocidad de la luz entre dos direcciones perpendiculares a dos períodos del año. Se espera que para medir las variaciones en la velocidad, pero el resultado fue sorprendente, todos los rayos de luz que tenía la misma velocidad. Este famoso experimento de Michelson ganó el Premio Nobel de Física en 1907. Cada vez que un progreso técnico permite una mayor precisión, se repite el experimento y el resultado es siempre el mismo, la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones. La velocidad de la luz se ha fijado en 299.792.458 m/s en 1983 por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas con ello dar una definición precisa para el medidor. A medida que la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones, que contradice las leyes de la mecánica newtoniana y la relatividad de Galileo, donde las velocidades se suman. La relatividad de Galileo dice que el movimiento depende del repositorio en el que se mide, es decir, que es diferente en función del movimiento del observador.

Un observador de tierra que ve un avión, tiene una percepción diferente de la velocidad de la aeronave de que un piloto que vuela junto a otro plano. Según esta teoría, el hombre en el suelo y el piloto de la aeronave debería ver los rayos de luz viajan a velocidades diferentes. Además, un avión volando a la velocidad de la luz pudo ver que la luz estaba haciendo allí. Una luz que no se mueve! Einstein no podía concebir. Para él, era más probable que la luz es siempre la misma velocidad, por lo que se interesó en la literatura del experimento de Michelson-Morley. Si la velocidad de la luz es siempre constante, dos observadores que tienen movimientos diferentes , debe registrarse para un fotón, una velocidad y una distancia idénticas. Esto no es lo que observamos. 299 792 458 m / s = espacio / tiempo nota: "El metro es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante 1 / 299792458 segundos." Imagen: Einstein le desafío y relativizar el carácter absoluto del espacio y del tiempo. La velocidad es igual a la distancia dividida por el tiempo, pero la velocidad es constante, por lo que los 2 otros términos de la ecuación, la distancia y el tiempo dependen del movimiento del observador.

El espacio y el tiempo Un rayo láser reflejada por la Luna es de 1,3 segundos a 1,3 segundos para ir y volver. El movimiento de vaivén del haz de láser viaja entre dos espejos se puede considerar un reloj. Un conductor que pasa a gran velocidad cerca de la Tierra y la Luna observó un extraño fenómeno, que ve la luz no se mueve verticalmente, sino en zigzag. Desde su punto de vista de la viga viaja una distancia mayor que si se tratara de un observador casual en la Tierra. Si comparamos las dos distancias del láser, la del observador de tierra es menor que la observada por el piloto. Porque la luz sólo puede tener una velocidad que no puede compensar la diferencia. Se necesita más tiempo. Así, del punto de vista del piloto, el péndulo de la luz oscila más lentamente, el tiempo pasa más lentamente. En la nave espacial, el tiempo se dilata. Este primer descubrimiento de Einstein, revolucionó nuestra visión del mundo, el movimiento provoca una ralentización del tiempo. Desde esta teoría se ha demostrado de forma práctica con los relojes atómicos que permiten mediciones extremadamente precisas.

Dos relojes atómicos, uno montado en un avión y el otro puesto en la tierra, obtener mediciones de tiempo distintos. El reloj del avión es más lento unos pocos nanosegundos, pero la diferencia es real. Esta pequeña diferencia es la velocidad de la aeronave. Todos los vehículos en movimiento se ven afectados por la dilatación del tiempo. Además, más el piloto va rápido, mas el tiempo se expande. Pero él, no se da cuenta de nada, no ven la dilatación del tiempo, ni el barco y propio buque se reducir en la dirección del movimiento. Este es el segundo descubrimiento de extrañas de Einstein, el contrato de objetos en movimiento. Después de viajar durante un año en la velocidad de la luz que el piloto de la nave ha envejecido un año. Los habitantes de la tierra tienen 20 años de edad. Ha viajado en el futuro. Pero este viaje imaginario del conductor ha verificado que cuando se multiplica por 15 000, la velocidad de nuestra nave espacial. New Horizons es el vehículo terrestre más rápido viajar en el espacio. Fuera de Júpiter, que ha alcanzado, por el efecto de la gravedad ayuda, una velocidad de 75 000 km/h o 21 km/s. La Tierra viaja alrededor del Sol a alrededor de 105 522 km/h o 29,3 km/s.

¿Qué sucede con la masa? Más que un cuerpo se mueve rápidamente, más su masa aumenta. Este es el tercer descubrimiento de Einstein. Se encuentra que la masa no es que la energía en una forma particular. Esta es la conclusión más importante de su teoría de la relatividad. Esta energía se calcula multiplicando la masa por el cuadrado de la velocidad de la luz (E = mc2). Ahora entendemos que el poder de la energía contenida en la materia es enorme, incluso cuando un cuerpo es inerte. E es la energía expresada en julios, m es la masa en kg y c es la velocidad de la luz en m / s. La energía correspondiente a 1 kg de material es enorme, al llegar a 9 × 1016 julios (1 kW / h = 3.600.000 J). Esto corresponde a la energía producida por un reactor nuclear con una capacidad de 1400 MW durante dos años. Si bien esta fórmula se considera como una mera posibilidad teórica, los físicos atómicos encontrar que los protones y los neutrones están unidos por una fuerza increíble. Esta fuerza explica cómo nuestro Sol y el enorme poder destructivo de la bomba atómica. E = mc2 no es una mera teoría. Einstein redefinió ciertas leyes de la naturaleza, pero su teoría tiene límites, es por eso que se llama teoría de la relatividad. Sólo cuando los objetos pasan a gran velocidad en línea recta cerca del observador, que se contraen y que los relojes deceleran. Carecía de fuerza en su teoría de que no incorpora la gravedad cuando que influencia todos los fenómenos naturales. Durante 10 años luchó con la teoría de la relatividad general para finalmente encontrar la solución en 1916. El tiempo y el espacio no sólo modificada por el movimiento, sino también por el material. Más nos acercamos al centro de la Tierra, más el reloj se ralentiza.

Cerca del mar, el tiempo fluye más lentamente que en la cumbre del Everest. En 20 200 km de altitud, la diferencia de tiempo con el suelo es sensible a tal punto que se toma en cuenta por los satélites GPS. La materia también influye el espacio, que tiene el efecto de cambiar la longitud de los objetos cuando se acercan los cuerpos celestes. Si introducimos una vara de medir a través del centro de la Tierra para medir el diámetro, se indicará un valor mayor que la longitud de su diámetro. Einstein llegó a la conclusión de que aumenta el espacio. Es difícil imaginar que en el centro de la Tierra hay un volumen más grande que se ve desde el exterior como en la imagen debajo contras. Es por ello que simplificar la representación del espacio en una superficie plana de dos dimensiones curvada por la gravedad. Cuando el espacio aumenta la superficie de los tramos se estira y se curva. Este es el mayor logro de Einstein, que apenas logró establecer la gravedad. Si nos caemos, es debido a la curvatura del espacio-tiempo. Esta es también la curvatura que requiere a los planetas en órbita alrededor del Sol, una trayectoria orbital alrededor del pozo de gravedad del sol. La prueba de la existencia de esta curvatura se produjo el 29 mayo 1919 durante un eclipse total de Sol por la Luna. Las estrellas detrás del Sol es visible durante unos minutos debido a que pasa cerca de la luz del Sol se desvía y se mueve a lo largo de una trayectoria curva. Esta primera observación de la estructura del espacio-tiempo, de acuerdo con la teoría, Einstein fue un triunfo. Cuando una estrella colapsa sobre sí mismo, al final de la vida, explosiona bajo la enorme presión de su propia gravedad. Se curva el espacio-tiempo de manera tan intensa que la luz no escapa del pozo gravitacional y la estrella se vuelve invisible, esto se llama un agujero negro.

http://www.astronoo.com/es/articulos/velocidad-de-la-luz.html

Velocidad de la luz Espacios de nombres 

Página



Discusión

Acciones de página 

Ver



Ver código



Historial

Velocidad de la Luz La velocidad de la luz. En el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s(suele aproximarse a 3·108 m/s), o lo que es lo mismo 9,46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz. Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en español celeridad o rapidez), y también es conocida como velocidad de la Luz c=300000 km/s. la constante de Einstein.[cita requerida] El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluida oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983, pasando así el metro a ser una unidad derivada de esta constante. La rapidez a través de un medio que no sea el "vacío" depende de su permitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío Sumario [ocultar]    

1 Historia 2 Aplicaciones de la Luz 3 Fuentes 4 Lo más rápido del universo conocido

Historia De acuerdo con la física moderna estándar, toda radiación electromagnética (incluida la luz visible) se propaga o mueve a una velocidad constante en el vacío, conocida comúnmente como "velocidad de la luz" (magnitud vectorial), en vez de "rapidez de la luz" (magnitud escalar). Ésta es una constante física denotada como

c. La rapidez c es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la Teoría de la relatividad . Una consecuencia en las leyes del electromagnetismo (tales como las ecuaciones de Maxwell) es que la rapidez c de radiación electromagnética no depende de la velocidad del objeto que emite la radiación. Así, por ejemplo, la luz emitida de una fuente de luz que se mueve rápidamente viajaría a la misma velocidad que la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque el color, la frecuencia, la energía y el momentum de la luz cambiarán; fenómeno que se conoce como Efecto Doppler). Si se combina esta observación con el principio de relatividad, se concluye que todos los observadores medirán la velocidad de la luz en el vacío como una misma, sin importar el marco de referencia del observador o la velocidad del objeto que emite la luz. Debido a esto, se puede ver a c como una constante física fundamental. Este hecho, entonces, puede ser usado como base en la teoría de la relatividad especial. La constante es la rapidez c, en vez de la luz en sí misma, lo cual es fundamental para la relatividad especial. De este modo, si la luz es de alguna manera retardada para viajar a una velocidad menor a c, esto no afectará directamente a la teoría de relatividad especial. Observadores que viajan a grandes velocidades encontrarán que las distancias y los tiempos se distorsionan de acuerdo con la transformación de Lorentz. Sin embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distancias de manera que la velocidad de la luz permanece constante. Una persona viajando a una velocidad cercana a c también encontrará que los colores de la luz al frente se tornan azules y atrás se tornan rojos.

Aplicaciones de la Luz La velocidad de la luz es de gran importancia para las telecomunicaciones. Por ejemplo, dado que el perímetro de la Tierra es de 40.075 km (en la línea ecuatorial) y c es teóricamente la velocidad más rápida en la que un fragmento de información puede viajar, el período más corto de tiempo para llegar al otro extremo del globo terráqueo sería 0,067 s. En la actualidad el tiempo de viaje es un poco más largo, en parte debido a que la velocidad de la luz es cerca de un 30% menor en una fibra óptica, y raramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales; además se producen retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricos o generadores de señales. En 2004, el retardo típico de recepción de señales desde Australia o Japón hacia los EE.UU. era de 0,18 s. Adicionalmente, la velocidad de la luz afecta al diseño de las comunicaciones inalámbricas. La velocidad finita de la luz se hizo aparente a todo el mundo en el control de comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y Neil Armstrong, cuando éste se convirtió en el primer hombre que puso un pie sobre la Luna: después de cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de 3 s para el regreso de una respuesta aún cuando los astronautas respondían inmediatamente. De manera similar, el control remoto instantáneo de una nave interplanetaria es imposible debido a que una nave suficientemente alejada de nuestro planeta podría tardar algunas horas desde que envía información al centro de control terrestre y recibe las instrucciones. La velocidad de la luz también puede tener influencia en distancias cortas. En los superordenadores la velocidad de la luz impone un límite de rapidez a la que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si un procesador opera a 1 GHz, la señal sólo puede viajar a un máximo de 300 mm en un ciclo único. Por lo tanto, los procesadores deben ser colocados cerca uno de otro para minimizar los retrasos de comunicación. Si las frecuencias de un reloj continúan incrementándose, la rapidez de la luz finalmente se convertirá en un factor límite para el diseño interno de chips individuales.

Fuentes [1] Velocidad de la Luz [2] Velocidad_luz

Lo más rápido del universo conocido Pruebas basadas en evidencia afirman que la luz no es lo más veloz del universo, contradiciendo lo expresado por Albert Einstein en su Teoría Especial de la Relatividad en 1905. En un experimento que amenaza con derrumbar el principio básico de la teoría de la relatividad, y por lo tanto de nuestra comprensión actual del universo, unas pequeñas partículas llamadas neutrinos parecen haber viajado más rápido que la luz entre Suiza e Italia. Los neutrinos han recorrido 730 kilómetros bajo tierra desde el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en Ginebra hasta el detector del experimento Opera ubicado bajo el macizo de Gran Sasso. Para sorpresa de los físicos que trabajan en el experimento, las partículas han llegado antes de lo esperado. No mucho antes: apenas unos 60 nanosegundos más pronto que si hubieran viajado a la velocidad de la luz (un nanosegundo es un millón de veces más breve que una milésima de segundo). Esta diferencia significa que los neutrinos han ido un 0,0025% más rápido que la luz. https://www.ecured.cu/Velocidad_de_la_luz

El principio de constancia de la velocidad de la luz EXPERIENTIA DOCET TEORÍA DE LA INVARIANCIA ARTÍCULO 6 DE 23 El principio de relatividad es uno de los dos postulados a partir de los cuales Einstein derivó las consecuencias de la teoría de la invariancia, popularmente llamada de la relatividad. El otro postulado se refiere a la velocidad de la luz, y es especialmente importante cuando se comparan las observaciones entre dos marcos de referencia inerciales, aquellos marcos de referencia que están en reposo o se mueven con una velocidad uniforme relativa entre sí, ya que dependemos principalmente de la luz para hacer observaciones.

Cuando Einstein dejó la secundaria a la edad de 15 años, estudió por su cuenta para poder ingresar en el Instituto Politécnico Federal de Zúrich (Suiza). Probablemente fue durante esta época cuando Einstein consideró por primera vez un experimento mental importante. Se preguntó qué pasaría si pudiera moverse lo suficientemente rápido en el espacio como para alcanzar un rayo de luz. Maxwell había demostrado que la luz es una onda electromagnética que se propaga a la velocidad de la luz. Si Albert pudiera viajar en paralelo y a su misma velocidad no vería una onda propagándose. En cambio, vería los «valles» y las «crestas» de la onda fija y estacionaria con respecto a él. Esto contradecía la teoría de Maxwell, en la que no era posible ese paisaje «estacionario» en el espacio libre. De estas y otras consideraciones principalmente teóricas, Einstein concluyó en 1905 que la teoría de Maxwell debía ser reinterpretada: la velocidad de la luz tiene que ser exactamente la misma, debe ser una constante universal, para todos los observadores, independientemente de si se mueven (con velocidad constante) respecto a la fuente de la luz. Esta idea revolucionaria se convirtió en el segundo postulado de la relatividad especial de Einstein, el principio de constancia de la velocidad de la luz: La luz y todas las demás formas de radiación electromagnética se propagan en el espacio vacío con una velocidad constante c que es independiente del movimiento del observador o del cuerpo emisor. Lo que Einstein está diciendo es que ya estemos moviéndonos a una velocidad uniforme hacia, o alejándonos de una la fuente de luz, o de si nos movemos en paralelo o no a un haz de luz, siempre mediremos exactamente el mismo valor para la velocidad de la luz en el vacío, que es exactamente de 299.792.458 m/s [1] . A esta velocidad se le dio el símbolo c de «constante». Si la luz viaja a través del vidrio o el aire su velocidad será algo más lenta, pero la velocidad de la luz en el vacío es una de las constantes físicas universales. Es importante recordar que este principio solo se aplica a los observadores y las fuentes que están en marcos de referencia inerciales. Esto significa que se están moviendo a una velocidad uniforme o están en reposo uno con relación al otro [2].

Veamos una implicación inmediata de este principio tan simple, en el que empiezan a intuirse las peculiaridades de la teoría de la invariancia que la apartan de nuestro sentido común. Para ello hagamos unos pocos experimentos mentales muy sencillos. Imaginemos que Mónica está sobre una plataforma con ruedas moviéndose a una velocidad uniforme de 5 m/s hacia Esteban, que permanece estático en el suelo. Mientras Mónica se mueve, arroja una pelota de tenis a Esteban a una velocidad para Mónica de 7 m/s. Esteban la atrapa, pero justo antes de hacerlo, rápidamente mide su velocidad [3]. ¿Qué velocidad obtiene? La respuesta, obviamente, es 5 +7 = 12 m/s, ya que las dos velocidades se suman. Hagamos otro experimento. Mónica está en la plataforma alejándose a 5 m/s de Esteban. Nuevamente lanza la pelota a 7 m/s para ella a Esteban, quien nuevamente mide su velocidad antes de atraparla. ¿Qué velocidad mide ahora? Esta vez es -5+7 = 2 m/s, donde hemos adoptado la convención de que las cosas que se mueven hacia Esteban tienen velocidad de signo positivo y las que se alejan de signo negativo. Las velocidades se suman de nuevo [4]. Todo muy convencional e intuitivo. Ahora intentemos estos mismos experimentos usando rayos de luz en lugar de pelotas de tenis. Cuando Mónica se mueve hacia Esteban, le apunta con el haz de un lápiz láser [5]. Esteban tiene un detector de luz que también mide la velocidad de la luz. ¿Qué velocidad de la luz mide? Mónica y Esteban se sorprenden al descubrir que Einstein tenía razón: la velocidad es exactamente la de la luz, ni más ni menos [6]; la velocidad de la plataforma no se ha añadido a c. Obtienen la misma velocidad c cuando la plataforma se aleja de Esteban. De hecho, incluso si aumentan la velocidad de la plataforma hasta casi la velocidad de la luz misma [3], la velocidad de la luz medida sigue siendo la misma, c, en ambos casos. Por extraño que parezca, la velocidad de la luz (o de cualquier onda electromagnética) siempre tiene el mismo valor, c, sin importar la velocidad relativa de la fuente y el observador. En las próximas entregas veremos algunas de las consecuencias a las que llegó Einstein cuando juntó los dos postulados fundamentales de la teoría de la relatividad especial, el principio de relatividad y el principio de constancia de la velocidad de la luz en el vacío. Notas: [1] La exactitud de esta cifra es una convención moderna, ya que la unidad de longitud se deriva de la velocidad de la luz. [2] El autor comprende que se pone pesado con estas repeticiones, y pide disculpas por ello. Pero considera imprescindible que la persona que lea cualquiera de estas entregas independientemente del resto sea en todo momento consciente de los límites de aplicación de las ideas que se discuten.

[3] Una licencia que permite el hecho de que esto solo sea un experimento mental [4] Las restas no existen, son siempre sumas, lo que cambia es el signo de los factores. [5] Asumimos que Mónica evita los ojos de Esteban y que ambos usan protección ocular adecuada durante el experimento. [6] Despreciamos el pequeñísimo, pero no nulo, efecto del aire sobre la velocidad de la luz para no tener que realizar el experimento en el espacio. Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance https://culturacientifica.com/2017/12/19/principio-la-constancia-la-velocidad-la-luz/

La velocidad de la luz: inmersa en la oscuridad ¿Y si la luz, el resto de partículas fundamentales y la mismísima gravedad que experimentamos en nuestros laboratorios no fueran más que excitaciones colectivas de un substrato universal?

Carlos Barceló (IAA-CSIC) Tags: velocidad luz, relatividad

¿Por qué no es posible viajar a más velocidad que la luz? Posiblemente esta sea la pregunta que más veces se ha hecho a los científicos a lo ancho y largo del planeta en los últimos cien años. Y, aunque pueda parecer increíble, la ciencia todavía no dispone de una respuesta completa a esta pregunta tan fundamental. La lógica permite que incluso no haya respuesta -no se puede ir a más velocidad porque el mundo nació de esa forma de entre una multiplicidad de posibilidades, pero parece improbable. En cualquier caso, la ciencia nos impone esforzarnos en la búsqueda de la respuesta, exista o no. El mismísimo Albert Einstein dejó claro que su propuesta de existencia de una velocidad máxima para la propagación de toda señal (uno de los ingredientes básicos de su teoría de la relatividad especial de 1905) era un principio, el llamado “postulado de la luz”, a partir del cual se podían hacer predicciones adicionales que podían verificarse a través de experimentos. Como su nombre indica, el postulado de la luz no se construye y demuestra a partir de ingredientes más elementales, simplemente se acepta para después deducir otros fenómenos a partir de él. Cuidado con posibles falacias. Dado el desarrollo al que ha llegado la relatividad especial, uno podría cometer el error de responder a la pregunta inicial utilizando argumentos circulares ilícitos. Por ejemplo, alguien podría contestar: la velocidad de la luz no se puede superar porque resulta que la masa (o inercia) de los cuerpos (su tendencia a mantener su estado de movimiento) aumenta más y más conforme aumenta su velocidad, de tal forma que esta masa se acerca al infinito cuando la velocidad se acerca a la velocidad de la luz; solamente los fotones, constituyentes de la luz, al no tener masa pueden llegar a viajar exactamente a la velocidad de la luz (de aquí el común uso sinónimo de velocidad de la luz y velocidad máxima). Cualquier otra señal (con soporte masivo) tiene que viajar a menor velocidad. Sin embargo, el razonamiento correcto es el siguiente: a partir del postulado de la luz se deduce por consistencia que la masa de los cuerpos debe aumentar sin límite conforme su velocidad se acerca a la de la luz; esto es una predicción teórica derivada del postulado que debe contrastarse con el comportamiento experimental. Y así es: multitud de experimentos confirman que este fenómeno sucede. Gran parte del desarrollo de la física del siglo XX se ha basado en compatibilizar el postulado de la luz (y el principio de relatividad, que dice que ningún experimento local puede distinguir si se está parado o con velocidad uniforme) con todas nuestras teorías. A día de hoy el alcance y la verificación experimental de la teoría de la relatividad especial (es decir, de los dos principios anteriores) es tan grande que, ante el anuncio por parte del CERN en el 2011 de una posible violación del postulado por parte de neutrinos, prácticamente la totalidad de los físicos teóricos pensamos, “¡tiene que haber un error en el experimento!”. Así ha sido finalmente.

Una de las primeras imágenes de la estructura interna de la luz (Max Planck 2004), predicha hace ciento cincuenta años por Maxwell. En ella se observa la oscilación de su campo eléctrico constituyente.

¿Posibles fisuras en la teoría? En otro frente, el siglo XX ha visto la ampliación sin aparentes límites del universo observable. ¡Un territorio más que demasiado grande para explorar! Sobre todo si se mantiene la idea de establecer un campamento base (por ejemplo, la Tierra) desde donde ir enviando exploradores de ida y vuelta. Ante el deseo irrefrenable de explorar esas tierras recónditas (un síndrome a lo Alejandro Magno), tan solo anunciadas por las crónicas de los astrónomos y sus telescopios, de tanto en tanto vuelve a aparecer la pregunta, ¿pero por qué no se puede viajar a velocidades mayores que la luz?, ¿existe alguna forma de superar ese límite? Pues bien, también Einstein, sin saberlo, proporcionó con su teoría general de la relatividad una posible puerta entreabierta a la cuestión. La teoría general de la relatividad general es una teoría sobre la gravitación de los cuerpos y nace de compatibilizar la gravitación, tal como se entendía desde los tiempos de Newton, con el postulado de la luz. En esta teoría se introduce el concepto de espaciotiempo como entidad plástica y dinámica sobre el que toda señal no lumínica se desplaza a velocidades menores que la luz. La gravedad aparece como curvaturas en el

espaciotiempo causadas por la presencia de materia. Todo perfectamente compatible con la existencia de una velocidad máxima. Pero, ¿cuál es la velocidad del propio espaciotiempo sobre el que todo se mueve? En principio la teoría no dice nada al respecto. Tomando esta puerta entreabierta, en las últimas décadas se han explorado distintas formas de conseguir velocidades superluminales (por encima de la velocidad de la luz) a base de deformar el propio espaciotiempo. Una de las más conocidas e ingeniosas es el motor de curvatura (o warp drive en inglés). Se llama motor de curvatura a una configuración del espaciotiempo en la que aparece un pasillo o tubo por el que es posible viajar a una velocidad sin límites con respecto a los observadores fuera del tubo.

La gravedad es atractiva Pero no cantemos victoria tan rápidamente. Para curvar el espaciotiempo en la forma deseada se necesita materia (energía) dispuesta en la forma adecuada. La materia normal curva el espaciotiempo de tal forma que, como resultado, los cuerpos se atraen. De hecho la palabra gravitación tiene su origen en gravitas, peso: todo cae o, en términos más modernos, todo cuerpo es atraído por la Tierra. Pues bien, se ha demostrado que las curvaturas necesarias para construir el motor de curvatura no son de este tipo: necesitan materia repulsiva (también conocida como “exótica”) en las paredes del tubo. La puerta se cierra sobre nosotros.

Concepción artística del motor de curvatura.

Un momento: resulta que existe una posibilidad teórica de conseguir materia repulsiva. Se basa en la conocida naturaleza cuántica subyacente de toda materia, e incluso del vacío. Toda materia conocida, al ser observada a nivel microscópico, exhibe comportamientos cuánticos distintos a los que estamos acostumbrados en nuestra experiencia cotidiana. Al menos en teoría, una configuración cuántica podría proporcionar pequeñas cantidades de energía exótica. Por una parte está el concepto de “préstamo de Heisenberg”: una fluctuación cuántica puede proporcionarnos una energía negativa si esta es devuelta en poco tiempo y el balance promedio de la cuenta energética es positivo. Por otra parte, está la posibilidad de deformar el propio vacío cuántico de tal forma que genere energías negativas en algunas regiones. ¿Cuánta cantidad de energía exótica se podría generar? Con estas energías, ¿cómo de grande se podría construir el tubo y sus paredes?, ¿suficiente para enviar a un humano por su interior o solamente se podrían construir tubos microscópicos? Estas son algunas de las preguntas sobre las que se ha estado y se continúa trabajando.

Fluctuaciones del vacío cuántico Sin embargo, una vez que se apela a la cuántica hay que hacerlo con todas sus consecuencias. Como decíamos, el vacío cuántico contiene energía. La presencia de curvatura tiene como consecuencia distorsionar la forma del vacío cuántico y por tanto su contenido energético. La regla de tres “a tanta energía que pongo de inicio, tanta curvatura”, no funciona de forma tan simple. Cuando depositas energía en el espaciotiempo la propia curvatura genera nueva energía que también debe ser contabilizada como generadora de curvatura. Es necesario llevar a cabo un proceso iterativo hasta llegar a encontrar configuraciones energía-curvatura autoconsistentes. El autor de estas líneas y dos colaboradores italianos, los doctores S. Liberati y S. Finazzi de SISSA, calculamos hace unos años cuál era el efecto en el vacío cuántico de las curvaturas necesarias para el motor de curvatura. Concluimos que estas curvaturas eran de tal naturaleza que generaban y comprimían en forma de onda de choque ingentes cantidades de energía en la zona frontal del tubo de tal forma que su construcción se haría inviable. Técnicamente, decimos que el motor de curvatura es inestable semiclásicamente. Situaciones similares ocurren con otras formas de viajar a velocidades mayores que la luz: agujeros de gusano, tubo de Krasnikov, etc. Siempre se choca con la necesidad de incluir materia exótica en grandes cantidades y con la presencia de inestabilidades. Aunque hasta que no tengamos una teoría de gravedad cuántica con cierto grado de verificación no se podrán cerrar definitivamente estas puertas, sin lugar a dudas en este momento se hallan casi cerradas.

¿Por qué no se puede viajar más rápido que la luz? Con un poco de perspectiva, podemos percatarnos de que no era probable, aunque muy atractivo, que a partir de teorías construidas a partir del postulado de la luz se obtuviera una forma de obviarlo. Para encontrar una explicación al porqué del límite lumínico parece más razonable empezar con un marco que permita en principio cualquier velocidad, un marco teórico en el que la relatividad especial no venga impuesta sino que pueda aparecer en algún régimen. En la actualidad existe un marco de ideas conocido con el nombre de “Gravedad análoga” en el que la situación es precisamente la comentada. En el IAA estamos trabajando activamente en esta línea de investigación y sus múltiples vertientes. Algunas de estas ideas ya estaban presentes en la física del siglo XIX, siendo redescubiertas de tanto en tanto, pero no han llegado a desarrollarse completamente. ¿Y si la luz, el resto de partículas fundamentales y la mismísima gravedad que experimentamos en nuestros laboratorios no fueran más que excitaciones colectivas de un substrato universal?

Podemos imaginar este substrato como compuesto por los verdaderos constituyentes elementales. Estos constituyentes elementales no ten-drían estatus de partícula pues no vivirían en nuestro espaciotiempo, que también estaría formado por ellos. Un electrón, por ejemplo, no estaría formado por unos pocos de estos constituyentes elementales, como sucede con el átomo, que está constituido por electrones, protones y neutrones, o con los protones y neutrones, que están a su vez constituidos por quarks. Un electrón o la luz serían más parecidos a una ola en el mar, un movimiento colectivo de ingentes cantidades de constituyentes elementales, moléculas de agua en el caso del mar. Además, de igual manera que la forma de la ola no depende prácticamente de si el agua está más o menos mezclada con otros productos, la forma de la luz y las partículas fundamentales no dependería en demasía de potenciales características microscópicas propias del substrato. Antes de proseguir con el problema de la velocidad de la luz me gustaría destacar que este último aspecto puede dar respuesta a otra de las grandes preguntas fundamentales sin respuesta de la física: ¿por qué todas las partículas fundamentales de un tipo (por ejemplo, los electrones) pueden considerarse idénticas? La no respuesta tradicional es “bueno, resulta que todos los electrones son iguales, luego probablemente sean bloques elementales fundamentales de la naturaleza”. Una vez más, es una afirmación que se acepta como principio para después analizar dónde nos lleva. Sin embargo, la nueva conceptualización ofrece una respuesta: “Independientemente de los detalles del substrato, el carácter colectivo de las ondulaciones características las hace aparecer en la práctica como iguales”. Volviendo al tema que nos ocupa. La velocidad finita de propagación de una ondulación aparece porque no se mide la velocidad de los elementos del substrato (no imponemos ninguna restricción a estos elementos; quizá ni tan siquiera tenga sentido hablar de velocidad para estos elementos), sino al movimiento colectivo. Variaciones en el tiempo del valor de una propiedad definida en una región puntual (por ejemplo, una presión) se relacionan con las diferencias en el valor de esa propiedad entre las regiones colindantes. De situaciones de este tipo surge el concepto de ecuación de ondas y el de velocidad finita y fija de propagación (al menos en un intervalo de energías). De hecho, del estudio de un modelo de substrato electromagnético dedujo James Clerk Maxwell la presencia de ondas de luz y, como consecuencia, la naturaleza electromagnética de la luz. La interacción de las excitaciones colectivas de tipo luz con las excitaciones colectivas de tipo partícula podría inhibir que estas últimas superaran en la práctica la velocidad de las primeras. Superar la velocidad de la luz (ahora posible en principio) produciría inestabilidades que se mostrarían ya en una dificultad creciente en alcanzar ese límite. Estas inestabilidades serían similares a las que aparecen en el conocido como efecto Cherenkov. Cuando una partícula atraviesa un dieléctrico a una velocidad mayor que la luz, esta se frena rápidamente emitiendo radiación. Recordemos que la luz en un dieléctrico viaja a velocidades menores que la luz en el vacío, por lo que una partícula (por ejemplo, un electrón) puede entrar en un dieléctrico a velocidades mayores; la velocidad que no se puede superar, y a la que nos hemos venido refiriendo siempre en estas líneas, es la de la luz en el vacío.

A la izquierda, la radiación de Cherenkov, producida cuando una partícula cargada (un electrón) pasa por un medio dieléctrico a una velocidad mayor que la luz en ese medio (Reed Research Reactor). A la derecha, birrefringencia en un cristal de calcita.

En la naturaleza existen sistemas en los que distintos tipos de señales viajan a distintas velocidades máximas (como la birrefringencia en cristales, en la que distintas polarizaciones de la luz viajan a distintas velocidades). Normalmente esto está permitido porque el substrato en el que viajan las señales no se ve afectado por la presencia de las señales. Existen indicios para pensar que en un sistema cerrado, autoconsistente y estable, con diversas excitaciones colectivas en interacción, existiría una sola velocidad de propagación límite. Esta sería la velocidad de la luz. El universo que observamos sería un sistema en el que incluso los fenómenos de mayor energía seguirían siendo colectivos, sin permitirnos discernir la naturaleza del substrato (quizá irremediablemente inaccesible para nosotros humanos).

¿Por qué la velocidad de la luz es tan enorme en términos humanos? Calculada en unidades naturales para nosotros, como son los metros y los segundos, la velocidad de la luz aparece como un número gigante. La luz puede conectar distancias de un metro en unos nanosegundos (10-9 segundos). El que para nosotros una escala de tiempo mínima natural sean los segundos es una indicación de que somos seres estructuralmente muy complejos. Cada uno de nuestros actos se compone de miles de millones de procesos microscópicos mucho más rápidos. Una comparación rápida con la física de una galaxia en el universo arroja los siguientes números: una galaxia típica mide unos cien mil años luz; una escala de variación natural para una galaxia como un todo podría cifrarse en los 1010 años; una evolución elemental de un sistema tan complejo como una galaxia involucraría cien mil procesos elementales, muchos menos que en un humano. En los estudios universitarios de física se nos suele enseñar que Hendrik Lorentz intentó entender la relatividad a partir de la naturaleza electromagnética de la materia, pero se perdió inútilmente en una maraña de complejidades. Einstein, en cambio, progresó partiendo de unos principios muy simples aunque sin explicación. Parece que la vía de Einstein es claramente la vía a seguir. Un estudio más detallado de la historia nos ofrece otro tipo de enseñanza menos maniqueo. Para proponer las simples hipótesis de la relatividad especial, Einstein se apoyó en un conocimiento exhaustivo del electromagnetismo de Maxwell, que había descendido a los infiernos de la complejidad en aras del entendimiento. Einstein no se caracterizó precisamente por buscar la vía fácil, y más adelante se enfrentó con la complejidad de construir una teoría relativista consistente de la gravedad, su gran obra. Además, él nunca desdeñó el estudio de un posible substrato universal (el entonces llamado éter) e incluso reconoció que sin éter no podía comprender la naturaleza del espaciotiempo. Por su parte, Lorentz dedujo antes que Einstein los efectos relativistas de tipo dilatación del tiempo y contracción de longitudes a partir de aceptar la existencia de un substrato electromagnético. La relatividad se deducía de las propiedades del substrato y no se aceptaba como un principio. Para el poco conocimiento que se tenía de la naturaleza atómica de la materia, llegó impresionantemente lejos. Mi lectura apunta a que ambas vías científicas son complementarias y necesarias para el equilibrio en la ciencia. Hoy estamos viendo que hacer compatible la gravedad y la cuántica parece requerir la existencia de un referencial externo. Un siglo después vemos que tenemos que retomar la filosofía de Lorentz si queremos “entender” y volver a progresar. Queda mucho por estudiar hasta llegar a tener un marco completo plausible que pueda explicar preguntas tan fundamentales como el origen de la velocidad de la luz o el carácter indistinguible de las partículas. Estos estudios constituyen cimientos para la estructura científica y un antídoto ante la burbuja inflacionaria en la que se mueve gran parte de la ciencia moderna.

http://www-revista.iaa.es/40/la-velocidad-de-la-luz-inmersa-en-la-oscuridad

La luz como onda En el siglo XIX Fresnel y Young observaron los fenómenos de interferencia y difracción para la luz, que no se podían explicar con la hipótesis de Newton, y Foucault midió la velocidad de la luz en diferentes medios y observó que al pasar del aire al agua disminuía su velocidad, tal como había propuesto Huygens. Estos descubrimientos permitieron que se consolidaran las ideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, aunque todavía quedaban algunas cuestiones sin resolver relacionadas con la propia naturaleza de la luz y con su propagación en el vacío. La propagación de la luz: Uno de los problemas más complejos para explicar la naturaleza ondulatoria de la luz ha sido preguntarse cuál es el medio que vibra. Podemos oir el sonido en el aire o bajo el agua porque tanto el aire como el agua son los medios materiales que transportan las ondas. En el vacío no se propaga el sonido porque no hay ningún medio que pueda vibrar. Sin embargo la luz sí que puede viajar por el vacío y este hecho no ha resultado fácil de explicar. En un principio los físicos suponían que debía haber "algo" en el vacío que sirviera para transportar las ondas luminosas, pero nadie podía detectarlo. En un principio se comenzó a teorizar sobre la existencia de un "éter" que ocupaba el vacío y no podía ser eliminado. Se suponía que el éter era el medio por el que viajaba la luz. Por un lado el éter debía ser un medio muy rígido para poder justificar la alta velocidad de propagación de la luz y por otro lado, si se trataba de un medio tan rígido, no se explicaba por qué los objetos se podían mover a través de él sin apenas resistencia. La idea del éter se mantuvo viva hasta que a principios del siglo XX Einstein justificó que determinados tipos de ondas, como la luz, podían desplazarse en el vacío. La naturaleza de la luz: Ondas electromagnéticas

En 1860, Maxwell publicó su teoría matemática sobre el electromagnetismo que predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban a la misma velocidad que la luz. Por ello argumentó que la luz y otras ondas que se conocían como las de radio consistían en un mismo fenómeno: eran ondas electromagnéticas que se diferenciaban sólo en su frecuencia. Hoy consideramos que una onda electromagnética es única, aunque se compone de dos perturbaciones: un campo eléctrico vibrando perpendicularmente a un campo magnético. Como habrás observado, la radiación visible constituye sólo una pequeña parte del conjunto de las ondas. La gama de longitudes de onda que corresponde a la luz visible se llama espectro visible y comprende aproximadamente la radiación con longitudes de onda entre 400 nm y 700 nm. https://www.educaplus.org/luz/lcomoonda.html

velocidad de la luz en diferentes medios Tabla de velocidad de la luz para diferentes materiales

La velocidad de la luz depende del medio, y alcanza su valor máximo en el vacío. El valor de la sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior. La velocidad de la luz se representa:  

Como : para la velocidad de la luz en el vacío Como : para velocidad de la luz en la materia, según tabla:

Ve Material

Índice

de refracción Vacío

1

299.792.458

Aire

1,00029

299.705.543

Dióxido de carbono

1,0004

299.672.589

Hielo

1,31

228.849.205

Agua (a 20º C)

1,333

224.844.349

Acetona

1,36

220.435.631

Alcohol etílico

1,36

220.435.631

Solución de azúcar (30%)

1,38

217.240.912

Fluorita

1,434

209.060.291

Glicerina

1,473

203.525.090

Benceno

1,501

199.728.486

Solución de azúcar (80%)

1,52

197.231.880

Cuarzo

1,544

194.166.099

Rubí

1,767

169.661.832

Diamante

2,417

124.034.943

https://sites.google.com/site/opticafisica20133/velocidad-de-la-luz-en-diferentes-medios

4. La luz: Una onda transversal Propagación de la luz (I) La luz se puede propagar en el vacío o en otros medios. La velocidad a la que se propaga depende del medio. En el vacío (o en el aire) es de 3·10 8 m/s; en cualquier otro medio su valor es menor. Esta velocidad viene dada por una magnitud llamada índice de refracción, n, que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en ese medio. No tiene unidades y su valor es siempre mayor que 1.

n es el índice de refracción, c es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad de la luz en el medio (ambas en m/s). Según su comportamiento ante la luz, en: transparentes, opacos y translúcidos.

los

medios

se

pueden

clasificar

http://www.educa.madrid.org/web/colegio1/Secundaria/4esofisicaquimica/4quincena11/4q1 1_contenidos_4b.htm

Velocidad de la luz en un medio material Interpretación        

Velocidad de la luz en un medio material

Este artículo o sección necesita referencias que aparezcan en una publicación acreditada, como revistas especializadas, monografías, prensa diaria o páginas de Internet fidedignas. Puedes añadirlas así o avisar al autor principal del artículo en su página de discusión pegando: {{subst:Aviso referencias|Velocidad de la luz en un

medio material}} ~~~~

Variación de la velocidad de la luz en diferentes medios (metros por segundo). La velocidad de la luz en un medio material depende de la estructura molecular de este, en particular de las propiedades electromagnéticas del mismo, la permeabilidad eléctrica y la permeabilidad magnética. Estas propiedades pueden presentar valores diferentes para diferentes longitudes de onda o frecuencias de la luz incidente, por lo que usualmente la velocidad de la luz en un medio va a depender de la longitud de onda (esa es la causa por la cual la luz blanca al atravesar un medio sufre dispersión cromática). Macroscópicamente la luz puede ser tratada como una onda tal como sugiere la electrodinámica aunque en ciertos casos presenta un comportamiento corpuscular o de partícula. Este comportamiento corpuscular fue establecido por Einstein en su interpretación del Efecto fotoeléctrico, ese trabajo estableció que la luz puede considerarse formada por partículas cuánticas llamadas fotones. La velocidad de los fotones en el vacío es de 299.792.458 m/s, pero, esta velocidad se reduce dependiendo del material por el que se propaga.

Propagación de la luz en un medio material Cuando la luz atraviesa un medio perturba electromagnéticamente el material, y crea ondas electromagnéticas secundarias que interfieren con la primera. Aunque la velocidad de fase de la luz en un medio material es c (la velocidad de la luz en el vacío), la velocidad de grupo de la onda luminosa en un medio material generalmente es menor que la velocidad de la luz en el vacío. Cada fotón individual se mueve en el interior de la materia a la velocidad de la luz en el vacío, pero dentro del medio se crean por emisión nuevos y se destruyen fotones por absorción, y lo que observamos como luz propagándose en un medio es el efecto combinado de todos esos fotones. Eso explica como aunque cada

fotón individual se mueve a una velocidad c el efecto combinado de todos ellos se propaga a una velocidad menor. Nota: [la luz siempre se comporta como luz. Aunque podemos estudiarla unas veces como partícula y otras como onda, la luz no cambia de naturaleza por el simple hecho de interactuar con la materia. La luz es un campo electromagnético y como tal interacciona con otros campos electromagnéticos como los producidos por los electrones de los átomos de los materiales que atraviesa. Esta interacción es la que reduce su velocidad.]

Tabla de velocidad de la luz para diferentes materiales La velocidad de la luz depende del medio, y alcanza su valor máximo en el vacío. El valor de la velocidad de la luz en el vacío no puede superarse pero sí en un medio en el que ésta es forzosamente inferior. La velocidad de la luz se representa: 

Como

: para la velocidad de la luz en el vacío



Como

: para velocidad de la luz en la materia, según tabla:

Material

Índice Velocidad Notación de refracción m/s

Vacío(1)

1

299.792.458

Aire (2)

1,00029

299.705.543

Dióxido de carbono

1,0004

299.672.589

Hielo

1,31

228.849.205

Agua (a 20º C)

1,333

224.748.825

Acetona

1,36

220.435.631

Alcohol etílico

1,36

220.435.631

Solución de azúcar (30%)

1,38

217.240.912

Fluorita

1,434

209.060.291

Glicerina

1,473

203.525.090

Benceno

1,501

199.728.486

Solución de azúcar (80%)

1,52

197.231.880

Cuarzo

1,544

194.166.099

Rubí

1,767

169.661.832

Diamante

2,417

124.034.943

(1) El concepto vacío no es sinónimo de nada. (¿El vacío será la materia oscura?). (2) En condiciones normales de presión y temperatura.

Ver además: Índice de refracción

₽ Английский язык онлайн бесплатно

18+

La radiación de Čerenkov es generada por el paso de partículas que atraviesan un medio material a una velocidad superior a la que la luz puede alcanzar en dicho medio material (véanse velocidades y materiales en recuadro). La Teoría de la Relatividad sostiene que en el vacío, nada absolutamente nada podría superar la velocidad de la luz . Sin embargo, en un experimento de reciente data estaría por confirmarse que sería posible para la velocidad agrupada, que la luz pueda exceder . Un experimento hizo que la velocidad agrupada de rayos láser viajara distancias extremadamente cortas a través de átomos de cesio a

. Sin embargo, no es

posible usar esta técnica para transferir información más rápido que : la velocidad de la transferencia de información depende de la velocidad frontal (la velocidad en la cual el primer incremento de un pulso sobre cero la mueve adelante) y el producto de la velocidad agrupada y la velocidad frontal es igual al cuadrado de la velocidad normal de la luz en el material.[cita requerida]

https://esacademic.com/dic.nsf/eswiki/1198283

PROPAGACIÓN DEL SONIDO

Una oscilación que se propaga en un medio (con velocidad finita) recibe el nombre de onda. Dependiendo de la relación que exista entre el sentido de la oscilación y el de la propagación, hablamos de ondas longitudinales, transversales, de torsión, etc. En el aire el sonido se propaga en forma de ondas longitudinales, es decir, el sentido de la oscilación coincide con el de la propagación de la onda. Medio Podemos definir a un medio como un conjunto de osciladores capaces de entrar en vibración por la acción de una fuerza. Cuando hablemos de un medio, y a no ser que se indique específicamente otra cosa, nos estaremos refiriendo al aire. Esto se debe nuevamente a razones prácticas, en la medida en que el aire es el medio más usual en el que se realiza la propagación del sonido en los actos comunicativos por medio de sistemas acústicos entre seres humanos, ya sea mediante el habla o la música. Para que una onda sonora se propague en un medio, éste debe cumplir como mínimo tres condiciones fundamentales: ser elástico, tener masa e inercia. Las ondas sonoras no se propagan en el vacío, pero hay otras ondas, como las electromagnéticas, que sí lo hacen. El aire en tanto medio posee además otras características relevantes para la propagación del sonido: 

 

la propagación es lineal, que quiere decir que diferentes ondas sonoras (sonidos) pueden propagarse por el mismo espacio al mismo tiempo sin afectarse mutuamente. es un medio no dispersivo, por lo que las ondas se propagan a la misma velocidad independientemente de su frecuencia o amplitud. es también un medio homogéneo, de manera que el sonido se propaga esféricamente, es decir, en todas las direcciones, generando lo que se denomina un campo sonoro.

Propagación Como ya mencionáramos, un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese

movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente. Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero el movimiento se propaga a través del medio. Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia. No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio. El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora. Ver Figura 01.

FIGURA 01: La distancia entre las barras representa las zonas de mayor o menor presión sonora

Si el cuerpo que genera la oscilación realiza un movimiento armónico simple, las variaciones de la presión en al aire pueden representarse por medio de una onda sinusoidal. Por el contrario, si el cuerpo realiza un movimiento complejo, las variaciones de presión sonora deberán

representarse por medio de una forma de onda igual a la resultante de la proyección en el tiempo del movimiento del cuerpo. Ver Figura 02.

FIGURA 02: Variaciones de presión en el aire (condensación y rarefacción) en el caso de un movimiento armónico simple. Los puntos representan las moléculas de aire. Como dijimos, en el aire el sonido se propaga esféricamente, es decir en todas direcciones. Podemos imaginarnos al sonido propagándose como una esfera cuyo centro es la fuente sonora y que se va haciendo cada vez más grande. O, lo que es lo mismo, que va aumentando cada vez su radio. Por razones de comodidad, para estudiar el sonido podremos hacerlo desde uno de esos dos puntos de vista, a veces como una esfera creciendo, o como un radio (eventualmente todos los radios) de la misma (rayos). Imaginemos entonces una cadena de partículas (moléculas) entre la fuente sonora y el receptor (un rayo). Entre el instante en que la fuente sonora pone en movimiento a la partícula más cercana y el instante en que la primer partícula transmite su movimiento a la segunda transcurre un tiempo determinado. Es decir, cuando la primer partícula entra en movimiento, la tercera -por ejemplo- aún está en su posición de reposo. Recordemos

también que las partículas de aire sólo oscilan en torno a su posición de reposo. Podemos decir entonces que cada partícula se encontrará en una situación distinta del movimiento oscilatorio. Es decir, cada partícula tendrá una situación de fase (ángulo de fase) distinta. En algún lugar de la cadena encontraremos una partícula cuya situación de fase coincide con la de la primera, aunque la primer partícula estará comenzando su segundo ciclo oscilatorio, mientras que la otra recién estará comenzando su primer ciclo. La distancia que existe entre dos partículas consecutivas en igual situación de fase se llama longitud de onda ( ). También podemos definir la longitud de onda como la distancia que recorre una onda en un período de tiempo T. La longitud de onda está relacionada con la frecuencia f (inversa del período T) por medio de la velocidad de propagación del sonido (c), de manera que c = · f. Las ondas sonoras tienen longitudes de onda de entre 2 cm y 20 m aproximadamente. No debemos confundir la velocidad de propagación de la onda con la velocidad de desplazamiento de las partículas. Éstas realizan un movimiento oscilatorio muy rápido, cuya velocidad es distinta a la velocidad de propagación de la onda. La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las características de la onda o de la fuerza que la genera. En el caso de un gas (como el aire) es directamente proporcional a su temperatura específica y a su presión estática e inversamente proporcional a su densidad. Dado que si varía la presión, varía también la densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios de presión o densidad del medio. Pero la velocidad del sonido sí varía ante los cambios de temperatura del aire (medio). Cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación. La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la temperatura. La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 344 m/s a 20º C de temperatura, lo que equivale a unos 1.200 km/h (1.238,4 km/h, para ser precisos). Es decir que necesita unos 3 s para recorrer 1 km. (Como posible referencia recordemos que la velocidad de la luz es de 300.000 km/s.) El sonido se propaga a diferentes velocidades en medios de distinta densidad. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y sólidos

que en gases (como el aire). La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de unos 1.440 m/s en el agua y de unos 5.000 m/s en el acero. Ondas estacionarias Hasta ahora hemos hablado de ondas propagándose en un medio, es decir ondas viajeras. Las ondas estacionarias son el resultado de la interferencia de dos ondas viajeras iguales propagándose en direcciones contrarias. Por ejemplo, una onda que llega perpendicularmente a una pared y se refleja sobre sí misma. La característica de las ondas estacionarias es que se generan puntos (eventualmente líneas o planos) en los cuales la amplitud de oscilación es siempre cero (nodos) y otros en los que es siempre máxima (antinodos o vientres). La distancia entre dos nodos será la mitad de la longitud de onda de la onda estacionaria ( / 2). Dada una frecuencia que genera una onda estacionaria, los múltiplos de dicha frecuencia (es decir los armónicos) también producirán ondas estacionarias. El orden del armónico determinará la cantidad de nodos que se producen. Por ejemplo, el primer armónico generará un nodo, el segundo dos y así sucesivamente. Las ondas estacionarias son relevantes en el funcionamiento de los instrumentos musicales (las cuerdas, las columnas de aire encerradas en un tubo), pero también en las resonancias modales (los modos de resonancia) de las habitaciones. https://www.eumus.edu.uy/docentes/maggiolo/acuapu/prp.html

PROPAGACIÓN DEL SONIDO

Las ondas sonoras son longtudinales, mecánicas (no viajan en el vacío) y se propagan en todas las direcciones, de modo que frente de ondas es esférico; así mismo, tiene la capacidad de estimular el oído humano y producir sensación sonora. Por ello, el estudio del sonido debe tratarse de diferentes forma los aspectos físicos y los aspectos fisiológicos relacionados con la audición. Los frentes de onda en una onda sonora son esféricos, pero podemos pensarlo en una dimsensión como las ondas que se propagan a lo largo de un resorte como consecuencia de las comprensión longitudinal. Por lo que las partículas del medio se comprimen en las zonas de máxima amplitud de la ondulación y se separan en las de mínima amplitud. Estas zonas se denominan compresión y rarefacción.

Rapidez del sonido en m/s, medido a 0°C Granito 5400 Hierro 5190 Aluminio 5100 Madera 3900 Cobre 3810 Agua 1410 Plomo 1190 Aire 331 Rapidez de propagación en el aire y temperatura

La rapidez de propagación del sonido está relacionada con variables físicas propias del material como la densidad, la temperatura, la elasticidad, presión, salinidad, etc. En el caso de medios gaseosos, como el aire, las vibraciones son trasmitidas de un punto a otro mediante choques entre las partículas que constituyen el gas. De este modo cuando mayor sea la densidad del gas, mayor será la rapidez de la onda. En los medios sólidos, son las fuerzas que unen entres sí las partículas constitutivas del cuertpo las que se encargan de propagar la perturbación de un punto a otro. Este procedimiento más directo explica por qué la rapidez del sonido es mayor en los sólidos que en los gases. La rapidez del sonido varía muy poco con la temperarura en los sólidos y líquidos, sin embargo en los gases, aumenta con la temperatura porque se incrementa la probabilidad de los choques entre las moléculas. El alcance de una onda de sonido en un medio, esta directamente con la energía que absorbe y la rapidez especificamente en un sólido, se ve afectada por la densidad y por la elasticidad. A nivel molecular un material con alta elasticidad (rígido) se caracteriza por grandes fuerzas entre sus moléculas. Esto hace que las partículas vuelvan rápidamente a sus posiciones de equilibrio y estén dispuestas a iniciar de nuevo un movimiento, lo que les permite vibrar a altas velocidades. Por lo tanto, el sonido viaja más rapido a través de medios con mayor elasticidad. La densidad de un medio representa la masa por unidad de volumen. Así mientras más denso es un material, mayor será la masa de las moléculas, si se considera un mismo volumen, lo que implica que el sonido se trasmite más lentamente. Esto se debe a que las ondas de sonido trasportan energía, que es la responsable de la vibración de un medio, y se necesita más energía para hacer vibrar las moléculas grandes que la requerida para hacer vibrar moléculas más pequeñas. Por esto, el sonido viaja más lento en un objeto más denso, si ambos tienen la misma propiedad elásticidad. Videos

Rapidez de propagación del sonido

Las ondas longitudinales, específicamente el sonido, se propaga a través de diferentes medios con distinta velocidad. Aquello está influenciado principalmente por las características del medio. Sólidos

En la ecuación E corresponde al módulo de Young o módulo de elasticidad longitudinal, el cual es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico. ρ corresponde a la densidad del material. Sustancia

Módulo de Young Aluminio

70

Hueso* Tracción Comprensión Ladrillo

16 9 20

Cobre

120

Vidrio, cuarzo fundido

70

Granito

50

Hierro forjado

190

Mármol

60

Poliestireno

3

Cuarzo

70

Acero

200

Madera

10

módulo de Young representativo para cada material. Líquidos

En la ecuación B corresponde al módulo de compresibilidad, el mide la resistencia de un material a la compresión uniforme y, por tanto, indica el aumento de presión requerido para causar una disminución unitaria de volumen dado. ρ corresponde a la densidad del material. Sustancia

Módulo de compresión B, 10^9 N/m^2

Liquidos Etanol

0,9

Mercurio

25

Agua

2,2

Sólidos

Alumnio

70

Cobre

120

Vidrio, cuarzo fundido

36

Granito

47

Hierro

80

Mármol

70

Acero

158

Módulo de compresión volumétrico de líquidos y sólidos ordinarios. Gases

En la ecuación P es la presión no perturbada, γ es la razón entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante, Para gases diatómicos tales como el oxígeno, el nitrógeno, el aire en general tiene un valor de 7/5=1,4. ρ es la densidad. https://www.fisic.ch/contenidos/ondas-y-sonido/velocidad-del-sonido/

Sonido Transmisión del sonido en un fluido. Se produce una onda de presión por compresión, que hace que el resto de las partículas se compriman entre ellas. El sonido, en física, es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo. El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que producen oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio.

Representación esquemática del oído. (Azul: ondas sonoras. Rojo: tímpano. Amarillo: Cóclea. Verde: células de receptores auditivos. Púrpura: espectro de frecuencia de respuesta del oído. Naranja: impulso del nervio. La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal. El sonido es un fenómeno vibratorio transmitido en forma de ondas. Para que se genere un sonido es necesario que vibre alguna fuente. Las vibraciones pueden ser transmitidas a través de diversos medios elásticos, entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. La fonética acústica concentra su interés especialmente en los sonidos del habla: cómo se generan, cómo se perciben, y cómo se pueden describir gráfica y/o cuantitativamente.

Contenido                    

1 Física del sonido 1.1 Propagación del sonido 1.2 Magnitudes físicas del sonido 1.3 Velocidad del sonido 1.4 Reverberación 2 Fisiología del sonido 2.1 El aparato auditivo 2.2 La voz humana 2.3 Sonidos del habla 2.4 Resonancia 3 El sonido en la música 3.1 Propiedades 3.1.1 La altura 3.1.2 La intensidad 3.1.3 El timbre 3.1.4 La duración 4 Fuentes del sonido 5 Véase también 6 Bibliografía 7 Enlaces externos

₽

Legal forum

18+

Física del sonido La física del sonido es estudiada por la acústica, que trata tanto de la propagación de las ondas sonoras en los diferentes tipos de medios continuos como la interacción de estas ondas sonoras con los cuerpos físicos.

onda sinusoidal; Variación de frecuencia; Abajo podemos ver las frecuencias más altas. El eje horizontal representa el tiempo.

Propagación del sonido Artículo principal: Propagación del sonido

Ciertas características de los fluidos y de los sólidos influyen en la onda de sonido. Es por eso que el sonido se propaga en los sólidos y en los líquidos con mayor rapidez que en los gases. En general cuanto mayor sea la compresibilidad (1/K) del medio tanto menor es la velocidad del sonido. También la densidad es un factor importante en la velocidad de propagación, en general a mayor sea la densidad (ρ), a igualdad de todo lo demás, tanto menor es la velocidad de la propagación del sonido. La velocidad del sonido se relaciona con esas magnitudes mediante:

En los gases, la temperatura influye tanto la compresibilidad como la densidad, de tal manera que el factor de importancia suele ser la temperatura misma. Para que el sonido se transmita se necesita que las moléculas vibren en torno a sus posiciones de equilibrio.

En algunas zonas de las moléculas de aire, al vibrar se juntan (zonas de compresión) y en otras zonas se alejan (zonas de rarefacción), esta alteración de las moléculas de aire es lo que produce el sonido. Las ondas sonoras necesitan un medio en el que propagarse, por lo que son ondas mecánicas. Se propagan en la misma dirección en la que tienen lugar las compresiones y dilataciones del medio: son ondas longitudinales. La velocidad de propagación de las ondas sonoras depende de la distancia entre las partículas del medio; por tanto, es en general mayor en los sólidos que en los líquidos y en estos, a su vez, que en los gases.

Magnitudes físicas del sonido Artículo principal: Onda sonora

Como todo movimiento ondulatorio, el sonido puede representarse como una suma de curvas sinusoides con un factor de amplitud, que se pueden caracterizar por las mismas magnitudes y unidades de medida que a cualquier onda de frecuencia bien definida: Longitud de onda (λ), frecuencia (f) o inversa del período (T), amplitud (que indica la cantidad de energía que contiene una señal sonora) y no hay que confundir amplitud con volumen o potencia acústica. Y finalmente cuando se considera la superposición de diferentes ondas es importante la fase que representa el retardo relativo en la posición de una onda con respecto a otra. Sin embargo, un sonido complejo cualquiera no está caracterizado por los parámetros anteriores, ya que en general un sonido cualquiera es una combinación de ondas sonoras que difieren en los cinco parámetros anteriores. La caracterización de un sonido arbitrariamente complejo implica analizar tanto la energía transmitida como la distribución de dicha energía entre las diversas ondas componentes, para ello resulta útil investigado.  

Potencia acústica: El nivel de potencia acústica es la cantidad de energía radiada en forma de ondas por unidad de tiempo por una fuente determinada. La potencia acústica depende de la amplitud. Espectro de frecuencias: permite conocer en qué frecuencias se transmite la mayor parte de la energía.

Velocidad del sonido Artículo principal: Velocidad del sonido



El sonido tiene una velocidad de 331,5 m/s cuando: la temperatura es de 0 °C, la presión atmosférica es de 1 atm (nivel del mar) y se presenta una humedad relativa del aire de 0 % (aire seco). Aunque depende muy poco de la presión del aire.



La velocidad del sonido depende del tipo de material. Cuando el sonido se desplaza en los sólidos tiene mayor velocidad que en los líquidos, y en los líquidos es más veloz que en los gases. Esto se debe a que las partículas en los sólidos están más cercanas. Archivo:FA-18 Hornet breaking sound barrier (7 July 2012) - filtered.jpg U.S. Navy F/A-18 Avión rompiendo la barrera del sonido.

Comportamiento de las ondas de sonido a diferentes velocidades

La velocidad del sonido en el aire se puede calcular en relación a la temperatura de la siguiente manera:

Donde:

, es la temperatura en grados Celsius. Si la temperatura ambiente es de 15 °C, la velocidad de propagación del sonido es 340 m/s (1224 km/h ). Este valor corresponde a 1 MACH.

Reverberación La reverberación es la suma total de las reflexiones del sonido que llegan al lugar del oyente en diferentes momentos del tiempo. Auditivamente se caracteriza por una prolongación, a modo de "cola sonora", que se añade al sonido original. La duración y la coloración tímbrica de esta cola dependen de: La distancia entre el oyente y la fuente sonora; la naturaleza de las superficies que reflejan el sonido. En situaciones naturales hablamos de sonido directo para referirnos al sonido que se transmite directamente desde la fuente sonora hasta nosotros (o hasta el mecanismo de captación que tengamos). Por otra parte, el sonido reflejado es el que percibimos después de que haya rebotado en las superficies que delimitan el recinto acústico, o en los objetos que se encuentren en su trayectoria. Evidentemente, la trayectoria del sonido reflejado siempre será más larga que la del sonido directo, de manera que -temporalmente- escuchamos primero el sonido directo, y unos instantes más tarde escucharemos las primeras reflexiones; a medida que transcurre el tiempo las reflexiones que nos llegan son cada vez de menor intensidad, hasta que desparecen. Nuestra sensación, no obstante, no es la de escuchar sonidos separados, ya que el cerebro los integra en un único precepto, siempre que las reflexiones lleguen con una separación menor de unos 50 milisegundos. Esto es lo que se denomina efecto Haas o efecto de precedencia.

Fisiología del sonido Artículo principal: Percepción sonora

El aparato auditivo Artículo principal: Oído

Los sonidos son percibidos a través del aparato auditivo que recibe las ondas sonoras, que son convertidas en movimientos de los osteocillos óticos y percibidas en el oído interno que a su vez las transmite mediante el sistema nervioso al cerebro. Esta habilidad se tiene incluso antes de nacer.

La voz humana

La espectrografía de la voz humana revela su rico contenido armónico. La voz humana se produce por la vibración de las cuerdas vocales, lo cual genera una onda sonora que es combinación de varias frecuencias y sus correspondientes armónicos. La cavidad buco-nasal sirve para crear ondas cuasiestacionarias por lo que ciertas frecuencias denominadas formantes. Cada segmento de sonido del habla viene caracterizado por un cierto espectro de frecuencias o distribución de la energía sonora en las diferentes frecuencias. El oído humano es capaz de identificar diferentes formantes de dicho sonido y percibir cada sonido con formantes diferentes como cualitativamente diferentes, eso es lo que permite por ejemplo distinguir dos vocales. Típicamente el primer formante, el de frecuencia más baja está relacionada con la abertura de la vocal que en última instancia está relacionada con la frecuencia de las ondas estacionarias que vibran verticalmente en la cavidad. El segundo formante está relacionado con la vibración en la dirección horizontal y está relacionado con si la vocal es anterior, central o posterior. La voz masculina tiene un tono fundamental de entre 100 y 200 Hz, mientras que la voz femenina es más aguda, típicamente está entre 150 y 300 Hz. Las voces infantiles son aún más agudas. Sin el filtrado por resonancia que produce la cavidad buco nasal nuestras emisiones sonoras no tendrían la claridad necesaria para ser audibles. Ese proceso de filtrado es precisamente lo que permite generar los diversos formantes de cada unidad segmental del habla.

Sonidos del habla Las lenguas humanas usan segmentos homogéneos reconocibles de unas decenas de milisegundos de duración, que componen los sonidos del habla, técnicamente llamados fonos. Lingüísticamente no todas las diferencias acústicas son relevantes, por ejemplo las mujeres y los niños tienen en general tonos más agudos, por lo que todos los sonidos que producen tienen en promedio una frecuencia fundamental y unos armónicos más altos e intensos. Los hablantes competentes de una lengua aprenden a "clasificar" diferentes sonidos cualitativamente similares en clases de equivalencia de rasgos relevantes. Esas clases de equivalencia reconocidas por los hablantes son los constructos mentales que llamamos fonemas. La mayoría de lenguas naturales tiene unas pocas decenas de fonemas distintivos, a pesar de que las variaciones acústicas de los fonos y sonidos son enormes.

Resonancia Artículo principal: Resonancia (mecánica)

Es el fenómeno que se produce cuando los cuerpos vibran con la misma frecuencia, uno de los cuales se puso a vibrar al recibir las frecuencias del otro. Para entender el fenómeno de la resonancia existe un ejemplo muy sencillo,

Supóngase que se tiene un tubo con agua y muy cerca de él (sin éstos en contacto) tenemos un diapasón, si golpeamos el diapasón con un metal, mientras echan agua en el tubo, cuando el agua alcance determinada altura el sonido será más fuerte; esto se debe a que la columna de agua contenida en el tubo se pone a vibrar con la misma frecuencia que la que tiene el diapasón, lo que evidencia por qué las frecuencias se refuerzan y en consecuencia aumenta la intensidad del sonido. Un ejemplo es el efecto de afinar las cuerdas de la guitarra, puesto que al afinar, lo que se hace es igualar las frecuencias, es decir poner en resonancia el sonido de las cuerdas.

El sonido en la música El sonido, en combinación con el silencio, es la materia prima de la música. En música los sonidos se califican en categorías como: largos y cortos, fuertes y débiles, agudos y graves, agradables y desagradables. El sonido ha estado siempre presente en la vida cotidiana del hombre. A lo largo de la historia el ser humano ha inventado una serie de reglas para ordenarlo hasta construir algún tipo de lenguaje musical.

Propiedades Las cuatro cualidades básicas del sonido son la altura, la duración, el timbre o color y la intensidad, fuerza o potencia. Cualidad Característica Rango

Altura

Frecuencia de onda

Intensidad Amplitud de onda Timbre

Agudo, medio, grave Fuerte, débil o suave

Armónicos de onda o forma Depende de las características de la fuente de la onda. Análogo a la emisora del sonido (por analogía: áspero, textura aterciopelado, metálico, etc)

Duración Tiempo de vibración

Largo o corto

La altura Véanse también: Tono (acústica) y altura (música)



Indica si el sonido es grave, agudo o medio, y viene determinada por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras, medida en ciclos por segundo o hercios (Hz). vibración lenta = baja frecuencia = sonido grave.



vibración rápida = alta frecuencia = sonido agudo. Para que los humanos podamos percibir un sonido, éste debe estar comprendido entre el rango de audición de 20 y 20.000 Hz. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanta más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos. La intensidad Véanse también: Intensidad de sonido y sonoridad Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido, es decir, lo fuerte o suave de un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. La intensidad del sonido se divide en intensidad física e intensidad auditiva, la primera esta determinada por la cantidad de energía que se propaga, en la unidad de tiempo, a través de la unidad de área perpendicular a la dirección en que se propaga la onda. Y la intensidad auditiva que se fundamenta en la ley psicofísica

de Weber-Fechner, que establece una relación logarítmica entre la intensidad física del sonido que es captado, y la intensidad física mínima audible por el oído humano. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB) en honor al científico e inventor Alexander Graham Bell. En música se escriben así:

Nombre

Intensidad

piano pianissimo(ppp) más suave que pianissimo Pianissimo (pp)

muy suave

Piano (p)

suave

Mezzo Piano (mp)

medio suave

Mezzo Forte (mf)

medio fuerte

Forte (f)

fuerte

Fortissimo (ff)

muy fuerte

forte fortissimo (fff)

más fuerte que fortissimo

El timbre Artículo principal: Timbre (acústica)

Es la cualidad que confiere al sonido los armónicos que acompañan a la frecuencia fundamental. La voz propia de cada instrumento que distingue entre los sonidos y los ruidos. Esta cualidad es la que permite distinguir dos sonidos, por ejemplo, entre la misma nota (tono) con igual intensidad producida por dos instrumentos musicales distintos. Se define como la calidad del sonido. Cada cuerpo sonoro vibra de una forma distinta. Las diferencias se dan no solamente por la naturaleza del cuerpo sonoro (madera, metal, piel tensada, etc.), sino también por la manera de hacerlo sonar (golpear, frotar, rascar). Una misma nota suena distinta si la toca una flauta, un violín, una trompeta, etc. Cada instrumento tiene un timbre que lo identifica o lo diferencia de los demás. Con la voz sucede lo mismo. El sonido dado por un hombre, una mujer, un/a niño/a tienen distinto timbre. El timbre nos permitirá distinguir si la voz es áspera, dulce, ronca o aterciopelada. También influye en la variación del timbre la calidad del material que se utilice. Así pues, el sonido será claro, sordo, agradable o molesto.

La duración Es el tiempo durante el cual se mantiene un sonido. Podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc. Los únicos instrumentos acústicos que pueden mantener los sonidos el tiempo que quieran, son los de cuerda con arco, como el violín, y los de viento (utilizando la respiración circular o continua); pero por lo general, los instrumentos de viento dependen de la capacidad pulmonar, y los de cuerda según el cambio del arco producido por el ejecutante.

Fuentes del sonido El sonido es un tipo de ondas mecánicas longitudinales producidas por variaciones de presión del medio. Estas variaciones de presión (captadas por el oído humano) producen en el cerebro la percepción del sonido. Existen en la naturaleza sonidos generados por diferentes fuentes de sonido y sus características de frecuencia (altura), intensidad (fuerza), forma de la onda (timbre) y envolvente (modulación) los hacen diferentes e inconfundibles, por ejemplo, el suave correr del agua por un grifo tiene las mismas características en frecuencia, timbre y envolvente que el ensordecedor correr del agua en las cataratas del Iguazú, con sus aproximadamente 100 metros de altura de caída libre, pero la intensidad (siempre medida en decibelios a un metro de distancia de la zona de choque) es mucho mayor. De los requisitos apuntados, el de la envolvente es el más significativo, puesto que es "la variación de la intensidad durante un tiempo, generalmente el inicial, considerado", el ejemplo de la diferencia de envolventes es la clara percepción que tenemos cuando algún instrumento de cuerda raspada (violín, violoncelo) son ejecutados "normalmente" con el arco frotando las cuerdas o cuando son pulsados (pizzicato); mientras que en el primer caso el sonido tiene aproximadamente la misma intensidad durante toda su ejecución, en el segundo caso el sonido parte con una intensidad máxima (la cuerda tensa soltada por el músico) atenuándose rápidamente con el transcurso del tiempo y de una manera exponencial, de manera que la oscilación siguiente a la anterior sigue una ley de variación descendente. Entre los instrumentos que exhiben una envolvente constante tenemos primordialmente el órgano de tubos (y sus copias electrónicas), el saxofón (también de aire, como el órgano) y aquellos instrumentos que, no siendo de envolvente fija, pueden fácilmente controlar esta función, como la flauta (dulce y armónica), la tuba, el clarinete y las trompetas, pífano y silbatos, bocinas de medios de transportes (instrumentos de advertencia); entre los instrumentos de declinación exponencial tenemos todos los de percusión que forman las "baterías": bombos, platillos, redoblantes, tumbadoras (en este ramo debemos destacar los platillos, con un tiempo largo de declinación que puede ser cortado violentamente por el músico) mediante un pedal o mismamente la mano

Véase también        

Acústica Batimiento Efecto Doppler Tono Historia del registro del sonido Onda mecánica Onda sonora Resonancia de las conchas de Gastrópodos

Bibliografía 

Iglesias Simón; Pablo; "El diseñador de sonido: función y esquema de trabajo", ADE-Teatro Nº 101. Julio-agosto de 2005. Páginas 199-215.

Enlaces externos 

Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre SonidoCommons. Categorías:

 

Sonido Historia del registro del sonido

https://esacademic.com/dic.nsf/eswiki/316893

Velocidad del Sonido en Diferentes Medios Gases Material

velocidad (m/s)

Hidrógeno (0°C)

1286

Helio (0°C)

972

Aire (20°C)

343

Aire (0°C)

331

Líquidos a 25°C Material

velocidad (m/s)

Glicerina

1904

Agua marina

1533

Agua

1493

Mercurio

1450

Queroseno

1324

Alcohol metílico

1143

Tetracloruro de Carbono

926

Sólidos Material

velocidad (m/s)

Diamante

12000

Cristal Pyrex

5640

Hierro

5130

Aluminio

5100

Estudio de la Velocidad de Onda

Índice Tablas

Otros Datos de Líquidos

Otros Datos de Sólidos

Bronce

4700

Cobre

3560

Oro

3240

Lucite

2680

Plomo

1322

Goma

1600

Datación de Serway/Beichner.

Atrás HyperPhysics*****Sonido

M Olmo R Nave

http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbasees/Tables/Soundv.html

¿A qué velocidad se transmite el sonido? La velocidad de propagación del sonido (m/s) es la distancia recorrida por la onda en la unidad de tiempo, medida en una determinada dirección de propagación, dependiendo de la densidad (varía con la presión, humedad, temperatura, etc.) y de la elasticidad del medio. Para aire a 0ºC, a la presión atmosférica (1,013 105 Pa) y una densidad ρ0 de 1,293 kg/m3, se tiene c0 = 330 m/s. Como c = c0 (1+ t/273)1/2, si aumenta la temperatura aumenta la velocidad. Para una temperatura de 20ºC la velocidad es de 342 m/s. En sólidos la velocidad es mayor que en gases y líquidos, por ser más densos y elásticos, dependiendo mucho de la frecuencia (dispersión), del tipo de onda (longitudinal o transversal) y de la homogeneidad del material. https://www.inercoacustica.com/acustipedia/item/171-velocidad-del-sonido