Aparatos para la enseñanza de las leyes físicas del siglo XIX

GANOT, ADOLPHE. Tratado elemental de física experimental y aplicada y de meteorología.

Laboratorio de Física I.E.S. Ibáñez Martín

BOCINA

COLECCIÓN

Acústica

FUNCIONAMIENTO

La bocina y la trompetilla acústica son dos instrumentos fundados a la vez en la reflexión del sonido y en la conductibilidad de los tubos cilíndricos (203). La bocina, conforme su nombre lo indica, sirve para transmitir la voz a grandes distancias. Consiste en un tubo de hojalata o de latón (fig. 139), ligeramente cónico y muy ancho en una de sus aberturas, que se denomina pabellón. Este instrumento, que se aplica a la boca por la otra extremidad, trasmite la voz tanto más lejos, cuanto mayores son sus dimensiones. Se explica su efecto por las sucesivas reflexiones de las ondas en las paredes del tubo, reflexiones en virtud de las cuales tienden las ondas a propagarse paralelas al eje del instrumento. Se ha objetado a esta teoría, que los sonidos emitidos al través de la bocina, no sólo se refuerzan en la dirección de su eje, sino también en todas direcciones, y también que el pabellón sería inútil para obtener el paralelismo de los rayos sonoros, mientras que, por el contrario, una influencia notable sobre la intensidad de los sonidos trasmitidos. Algunos físicos atribuyen los efectos de la bocina a un refuerzo producido por la columna de aire que existe en el tubo, la cual vibra al unísono a medida que se habla en su extremidad. En cuanto al efecto del pabellón, no se ha dado hasta ahora una explicación satisfactoria. La trompetilla acústica sirve para las personas que tienen el oído duro. En un tubo cónico de metal, con una extremidad en forma de pabellón para recibir el sonido, mientras que la otra se introduce en el oído. El pabellón sirve en este aparato de embocadura, es decir, que recibe los sonidos que salen de la boca de la persona que habla. Se transmiten dichos sonidos mediante una serie de reflexiones en el interior de la trompetilla, de suerte que las ondas que ya han adquirido un gran desarrollo, se encuentran concentradas en el aparato auditivo, produciendo en él un efecto mucho más sensible que el que originarían, si fuesen divergentes.

TEORÍA

Teoría de las vibraciones del aire en los tubos. Toda masa de gas limitada, encerrada entre paredes sólidas, es susceptible de vibrar como un cuerpo sólido.. su movimiento vibratorio es propaga al exterior, si las paredes de la caja o tubo contienen algunas aberturas. La rapidez de las vibraciones depende de la naturaleza del gas y de las dimensiones y forma de la capacidad que contiene al gas. Se determinan o provocan casi siempre las vibraciones de las masas gaseosas de una de dos maneras: o dirigiendo una corriente del gas contra el borde inclinado y tallado en bisel de un orificio de la caja, o situado en este una lámina elástica que cerrando y abriendo la salida del gas alternativamente, modifique su densidad, obligándole a reaccionar elásticamente. Concretándonos a los tubos sonoros, presentaremos un ejemplo de cada clase. El de la fig 208 es de los llamados de embocadura de flauta. el aire penetra por un pequeño tubo desde el fuelle acústico que describiremos luego, y sale por una abertura estrecha situada en el pie del propio tubo, y denominada luz. En la parte opuesta a la luz encuentra el aire el labio superior, en el cual se divide, y a la vez se comprime, después reacciona contra la corriente, vuelve a ser comprimido y a reaccionar de nuevo, y así sucesivamente. A consecuencia de estos movimientos alternativos, se producen las vibraciones de toda la columna gaseosa contenida en el tubo. Depende la rapidez de las vibraciones de la fuerza de la corriente gaseosa, y de la anchura de la boca del tubo, o sea de la distancia del bisel a la luz: se observa que si el bisel se va aproximando al labio inferior, el sonido se va elevando, lo mismo que cuando se fuerza la corriente inyectada en el tubo. Para convencerse de que es el aire del tubo el que representa el principal papel en la producción del sonido y no las partes sólidas, hasta hacer vibrar varios de ellos de la misma forma y dimensiones, y de sustancias diferentes (metal, madera, hueso), y se ve que todos dan la misma nota, si sus paredes son bastante gruesas. Si son delgadas participan del movimiento vibratorio, y reaccionando sobre las gaseosas, dan sonidos más bajos y apagados. No podemos, sin embargo, dudar de que aun en los tubos de paredes algo gruesas y rígidas vibran también las partes sólidas, pues la materia del instrumento comunica a estos un timbre especial. Bien distintos son, por tal circunstancia, los sonidos de una flauta de ébano de los de una flauta de cristal. Para reconocer el estado de división del aire en el tubo mientras vibra, se introduce pendiente de un hilo en el interior de uno de ellos una membrana tensa sobre un alambre circular de pequeñas dimensiones, espolvoreándola con arenilla. Mientras el tubo suena, se ve saltar la arenilla rápidamente en unas regiones del tubo, en tanto que permanece casi quieta en otras, manifestándose claramente la existencia de los vientres y nodos, como en las cuerdas. Es más, con la intensidad del sonido varían el número y disposición de aquellos. El tubo de la figura 29 es de los lengüeta. Consiste ésta en una hoja metálica mb, aplicada a una abertura de dimensiones algo más pequeñas practicada en una canilla. Al salir el aire, desvía la lengüeta hasta cierta distancia, reacciona esta por su fuerza y cierra la salida del gas. Se repite el movimiento vibratorio, y el gas sale con intermitencias. La altura del sonido se hace mayor acortando la porción vibrante por medio de la raseta a muelle t, porque resulta mayor el número de vibraciones por segundo. Las lengüetas en cuestión se llaman batientes, porque chocan contra las paredes de la abertura. Producen sonidos nasales. Las lengüetas libres son algo menores que la abertura, y dan sonidos dulces y agradables. Los tubos de lengüeta tienen la ventaja de dar gran amplitud a los sonidos sin modificar su altura, cuando se fuerza la corriente del viento, lo cual no sucede con los otros tubos que producen en tal caso sonidos armónicos. Para reforzar los sonidos en los primeros, se usan también cornetes de armonía como el de la figura, y otros de formas varias. Con ellos se modifica notablemente el timbre.

TEORÍA Y EXPERIMENTOS

Sonidos armónicos en los tubos abiertos. Los sonidos producidos por los tubos sonoros están sometidos a ciertas leyes, eso sucede con las cuerdas y con los sistemas rígidos. Tanto las correspondientes a los tubos abiertos como a los cerrados, fueron descubiertas por Bernoulli. La de los tubos o cañones abiertos dice: los números de vibraciones de los armónicos sucesivos crecen como la serie de los números naturales. Quiere esto decir, que un mismo tubo de los de embocadura produce sonidos cada vez más agudos, a medida que se le inyecta con mayor violencia el aire. Para demostrar dicha ley, se coloca el tubo sobre un orificio del fuelle acústico, cuidando de interponer una llave para graduar la salida. Al principio se oye el sonido más grave de los que puede producir el tubo. Después, si la corriente aumenta de velocidad, se perciben sonidos cuyas vibraciones son 2, 3, 4, 5, .... veces más rápidas que las del primero, llamado fundamental.

Sonidos armónicos de los tubos cerrados. La ley de los tubos cerrados se  expresa así: los números de vibraciones de los armónicos sucesivos crecen como los números impares. Repitiendo el experimento anterior con un tubo de fondo cerrado, se observa que después del sonido fundamental van produciéndose otros cada vez más agudos, cuyas vibraciones son 1, 3, 5, 7, ... veces más rápidas que las del primero.

Ley general de las dimensiones homólogas. Cuando dos sólidos semejantes vibran del mismo modo (longitudinalmente o transversalmente), los números de vibraciones son inversamente proporcionales a las dimensiones homólogas.

Para demostrar la ley general en los tubos se colocan en el fuelle acústico dos de estos, de forma prismática o cilíndrica, cuyas dimensiones homólogas están en relación de 2 a 1, e insuflando aire por ellos, se observa que el menor de los dos emite un sonido que es la octava aguda del producido por el otro. Por tal razón si dos tubos tiene iguales dos dimensiones y difieren sólo en la longitud, el más largo dará su sonido más grave. Si uno es de doble longitud que el otro, su sonido será la octava grave del producido por el otro.

Descripción del fuelle. Entre los cuatro pies de una mesa de madera se ve un fuelle S (fig. 147), puesto en movimiento por el pedal P. Un depósito D, de piel flexible, sirve para almacenar el aire que en él inyecta el fuelle. Si se comprime dicho depósito por medio de pesas colocadas encima, o por el empleo de un vástago T que mueva la mano, pasa el aire por un conducto E a una caja fija sobre la mesa, la cual posee varios orificios cerrados por pequeñas válvulas de cuero que se abren a voluntad, efectuando un esfuerzo sobre un teclado dispuesto delante de aquélla. En dichos agujeros se fijan la sirena, o bien los tubos sonoros.

Ondas estacionarias en tubos abiertos y cerrados (c) Ángel Franco García. UPV.  www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/acustica/tubos/tubos.htm

BIBLIOGRAFÍA

GANOT, ADOLPHE. Tratado elemental de física experimental y aplicada y de meteorología. 2ª edición. París 1871.

FELIU Y PÉREZ, B. Curso elemental de Física experimental y aplicada y nociones de Química Inorgánica. Sexta edición. Imprenta de Jaime Jepus, Barcelona, 1886, página 168.

(c) Angel Franco. Universidad del País Vasco. España. www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/acustica/tubos/tubos.htm

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