FÍSICA - CANTIDADES FÍSICAS

frecuencia de audio (abreviatura: AF ) o una frecuencia audiblees una vibración periódica cuya frecuencia está en la banda audible para el humano promedio. La unidad SI de frecuencia de audio es el hertz(Hz). Es la propiedad del sonido lo que más determina el tono . ^[1]

El rango estándar generalmente aceptado de frecuencias audibles para humanos es de 20 a 20,000 Hz, ^{[2] [3] [4]} aunque el rango de frecuencias que escuchan los individuos está muy influenciado por factores ambientales. En el aire a presión atmosférica, representan ondas de sonido con longitudes de onda de 17 metros a 1,7 cm. Las frecuencias por debajo de 20 Hz generalmente se sienten más que se escuchan, asumiendo que la amplitud de la vibración es lo suficientemente grande. Las altas frecuencias son las primeras en verse afectadas por la pérdida de audición debido a la edad o la exposición prolongada a ruidos muy altos. ^{[5] [ no en la cita dada ]}

Frecuencias y descripciones [ editar ]

Frecuencia (Hz)	Octava	Descripción
16 a 32	1º	El umbral humano más bajo de la audición y las notas más bajas del pedal de un órgano de tubos.
32 a 512	2 al 5	Frecuencias de ritmo, donde se encuentran las notas graves inferiores y superiores.
512 a 2,048	6 al 7	Define la inteligibilidad del habla humana , le da al sonido una calidad similar a una bocina.
2,048 a 8,192	Del 8 al 9	Da presencia al habla, donde se encuentran los sonidos labiales y fricativos .
8,192 a 16,384	Décimo	Brillantez, los sonidos de campanas y el repique de platillos y sibilancias en el habla.
16,384 a 32,768	11 °	Más allá de la brillantez, los sonidos nebulosos se acercan y solo pasan el umbral humano superior de la audición

Nota MIDI	Frecuencia (Hz)	Descripción	Archivo de sonido
0	8.17578125	La nota de órgano más baja	n / a ( frecuencia fundamentalinaudible)
12	16.3515625	La nota más baja para tuba, órganos de tubos grandes, piano de cola Bösendorfer Imperial	n / a ( frecuencia fundamentalinaudible en condiciones promedio)
24	32.703125	La C más baja en un piano estándar de 88 teclas .	MENÚ 0:00
36	65.40625	La nota más baja para el chelo.	MENÚ 0:00
48	130.8125	Nota más baja para viola , mandola.	MENÚ 0:00
60	261.625	Medio C	MENÚ 0:00
72	523.25	C en medio de la clave de sol	MENÚ 0:00
84	1,046.5	Aproximadamente la nota más alta reproducible por la voz humana femenina promedio .	MENÚ 0:00
96	2,093	La nota más alta para una flauta .	MENÚ 0:00
108	4,186	La nota más alta en un piano estándar de 88 teclas.	MENÚ 0:00
120	8.372		MENÚ 0:00
132	16.744	Aproximadamente el tono que emite un televisorCRT típico mientras se ejecuta.	MENÚ 0:00

La tracción de bolardo es una medida convencional de la potencia de tracción (o remolque) de una embarcación . Se define como la fuerza (en toneladas o kilonewtons (kN)) ejercida por un barco a plena potencia, en un bolardo montado en tierra a través de una línea de remolque, comúnmente medida en una prueba práctica (pero a veces simulada) bajo condiciones de prueba que Incluya agua tranquila, sin marea , nivel de ajuste, y suficiente profundidad y espacio lateral para una corriente de hélice libre . Como los caballos de fuerza o el kilometraje.calificación de un automóvil, es un número conveniente pero idealizado que debe ajustarse para las condiciones de operación que difieren de la prueba. El tirón del bolardo de una embarcación puede informarse como dos números, el tirón estático o máximo del bolardo (la fuerza más alta medida) y el tirón constante o continuo del bolardo, el promedio de las mediciones en un intervalo de, por ejemplo, 10 minutos. Una medición equivalente en tierra se conoce como la barra de tracción de tracción o fuerza de tracción , que se utiliza para medir la fuerza horizontal total generado por una locomotora , una pieza de maquinaria pesada tal como un tractor , o unaCamión , (específicamente un tractor de lastre ), que se utiliza para mover una carga.

La tracción del bolardo se usa principalmente (pero no solo) para medir la fuerza de los remolcadores , con los remolcadores de puerto comerciales más grandes en los años 2000-2010 que tienen alrededor de 60 a 65 toneladas cortas de fuerza (530–580 kN) de tracción del bolardo, que se describe como 15 toneladas cortas de fuerza (130 kN) sobre remolcadores "normales". ^[1] [2] . El remolcador más fuerte del mundo es Far Samson of Farstad Shipping , con un impulso de 423 toneladas métricas. Far Samson no es un remolcador típico, sino que es una clase especial de barco utilizado en la industria del petróleo llamado buque de suministro de remolcador de manejo de ancla .

La fuerza resistiva es aproximadamente 1/2 densidad de agua multiplicada por la velocidad cuadrada por el área de la superficie húmeda del barco. R = 1 / 2d v ^ 2 A.

Fondo [ editar ]

A diferencia de los vehículos terrestres, la declaración de la potencia instalada no es suficiente para comprender qué tan fuerte es un tirón, esto se debe a que otros factores, como las pérdidas de transmisión, el tipo de propulsión y la eficiencia del sistema de propulsión también tienen influencia.

Los valores de extracción del bolardo se expresan en toneladas (escritas como TBP) o en kiloNewtons (kN). ^[3]La potencia estimada es igual a la resistencia total multiplicada por la velocidad dividida por 550. en las unidades del sistema inglés, HP = R * v / 550

Medición [ editar ]

Los valores para la tracción del bolardo se pueden determinar de dos maneras.

Prueba práctica [ editar ]

Figura 1: prueba de tracción del bolardo en condiciones ideales (imaginarias)

Este método es útil para diseños de barcos únicos y para astilleros más pequeños . Su precisión es limitada: es necesario observar una serie de condiciones de contorno para obtener resultados confiables. Resumiendo los requisitos que se detallan a continuación, se deben llevar a cabo ensayos prácticos de extracción de bolardos en un puerto de aguas profundas , idealmente no en la desembocadura de un río, en un día tranquilo sin apenas tráfico.

• El barco debe estar en aguas tranquilas. Corrientes o vientos fuertes falsificarían la medida.
• La fuerza estática que pretende mover la nave hacia adelante solo debe ser generada por la fricción entre la carrera de descarga de la hélice y el agua circundante. Si el barco estuviera demasiado cerca de una pared, la medida sería falsificada.
• El barco debe estar en aguas profundas. Si hubiera algún efecto suelo, la medida sería falsificada. Lo mismo se aplica a la marcha de la hélice .
• La salinidad del agua debe tener un valor bien definido, ya que influye en el peso específico del agua y, por lo tanto, en la masa movida por la hélice por unidad de tiempo.
• La geometría de la línea de remolque debe tener un valor bien definido. Idealmente, uno esperaría que fuera exactamente horizontal y recto. Esto es imposible en realidad, porque
  • la línea cae en una catenaria por su peso;
  • Los dos puntos fijos de la línea, que son el bolardo en la costa y el gancho o la presa de remolque del barco, pueden no tener la misma altura sobre el agua.
• Las condiciones deben ser estáticas. La potencia del motor, el rumbo del barco, las condiciones de la carrera de descarga de la hélice y la tensión en la línea de remolque deben haberse establecido en un valor constante o casi constante para una medición confiable.
• Una condición a tener en cuenta es la formación de un cortocircuito en la carrera de descarga de la hélice. Si parte de la carrera de descarga se devuelve a la hélice, la eficiencia disminuye considerablemente. Esto podría ocurrir debido a una prueba que se realiza en aguas poco profundas o demasiado cerca de una pared.

Consulte la Figura 2 para ver una ilustración de las influencias de error en una práctica prueba de impulso de bolardo. Note la diferencia en la elevación de los extremos de la línea (el bolardo del puerto es más alto que el gancho de remolque del barco). Además, existe un cortocircuito parcial en la corriente de descarga de la hélice, el ajuste desigual del barco y la corta longitud de la línea de remolque. Todos estos factores contribuyen al error de medición.

Figura 2: prueba de tiro de bolardo en condiciones reales

Simulación [ editar ]

Este método elimina gran parte de las incertidumbres del ensayo práctico. Sin embargo, cualquier simulación numérica también tiene un margen de error. Además, las herramientas de simulación y los sistemas informáticos capaces de determinar el impulso del bolardo para el diseño de un barco son costosos. Por lo tanto, este método tiene sentido para astilleros más grandes y para el diseño de una serie de buques.

Ambos métodos se pueden combinar. Se pueden usar ensayos prácticos para validar el resultado de la simulación numérica.

Vehículos impulsados ​​por humanos [ editar ]

Se llevan a cabo pruebas prácticas de tracción de bolardos en condiciones simplificadas para vehículos impulsados por personas . Allí, la tracción del bolardo es a menudo una categoría en las competiciones y da una indicación de la eficiencia del tren de fuerza. Aunque las condiciones para tales mediciones son inexactas en términos absolutos, son las mismas para todos los competidores. Por lo tanto, todavía pueden ser válidos para comparar varias embarcaciones.

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Ilustración de compresión uniforme.

El módulo de volumen ($${\ displaystyle K} o $${\ displaystyle B}) de una sustancia es una medida de cuán resistente a la compresión es esa sustancia. Se define como la relación entre el aumento de la presión infinitesimal y la disminución relativa resultante del volumen . ^[1] Otros módulos describen la respuesta del material ( tensión ) a otros tipos de estrés : el módulo de corte describe la respuesta al corte, y el módulo de Youngdescribe la respuesta al esfuerzo lineal. Para un fluido , solo el módulo de volumen es significativo. Para un sólido anisotrópico complejo como la madera o el papel., estos tres módulos no contienen suficiente información para describir su comportamiento, y uno debe usar la leygeneralizada de Hooke .

Definición [ editar ]

El módulo de volumen {\ displaystyle K> 0} Se puede definir formalmente por la ecuación.

$${\ displaystyle K = -V {\ frac {dP} {dV}}}

dónde $${\ displaystyle P} es presion $${\ displaystyle V} es volumen, y $${\ displaystyle dP / dV}Denota la derivada de presión con respecto al volumen. Considerando la unidad de masa,

$${\ displaystyle K = \ rho {\ frac {dP} {d \ rho}}}

donde ρ es la densidad y d P / d ρ denota la derivada de la presión con respecto a la densidad (es decir, la tasa de cambio de la presión con el volumen). La inversa del módulo de volumen da la compresibilidad de una sustancia .

Relación termodinámica [ editar ]

Estrictamente hablando, el módulo de volumen es una cantidad termodinámica , y para especificar un módulo de volumen es necesario especificar cómo varía la temperatura durante la compresión: temperatura constante ( temperatura isotérmica).$${\ displaystyle K_ {T}}), entropía constante ( isentrópica $${\ displaystyle K_ {S}}), y otras variaciones son posibles. Tales distinciones son especialmente relevantes para los gases .

Para un gas ideal , el módulo de volumen isentrópico$${\ displaystyle K_ {S}} es dado por

$${\ displaystyle K_ {S} = \ gamma \, p}

y el módulo de volumen isotérmico $${\ displaystyle K_ {T}} es dado por

$${\ displaystyle K_ {T} = p}

dónde

γ es la relación de capacidad de calor

p es la presion

Cuando el gas no es ideal, estas ecuaciones dan solo una aproximación del módulo de volumen. En un fluido, el módulo de volumen K y la densidad ρ determinan la velocidad del sonido c ( ondas de presión ), de acuerdo con la fórmula de Newton-Laplace

$${\ displaystyle c = {\ sqrt {\ frac {K} {\ rho}}}.}

En sólidos, $${\ displaystyle K_ {S}} y $${\ displaystyle K_ {T}}Tienen valores muy similares. Los sólidos también pueden sostener ondas transversales : para estos materiales se necesita un módulo elástico adicional , por ejemplo el módulo de corte, para determinar las velocidades de onda.

Medición [ editar ]

Es posible medir el módulo de volumen usando la difracción de polvo bajo presión aplicada. Es una propiedad de un fluido que muestra su capacidad para cambiar su volumen bajo su presión.

Valores seleccionados [ editar ]

Módulo de volumen aproximado (K) para materiales comunes

Material	Módulo a granel en GPa	Módulo a granel en psi
Caucho [2]	1.5 a 2	0.22 × 10 6 a 0.29 × 10 6
Vidrio (ver también diagrama debajo de la tabla)	35 a 55	5,8 × 10 6
Acero	160	23.2 × 10 6
Diamante (a 4K) [3]	443	64 × 10 6

Influencias de las adiciones de componentes de vidrio seleccionados en el módulo de volumen de un vidrio base específico. ^[4]

Un material con un módulo de volumen de 35 GPa pierde el uno por ciento de su volumen cuando se lo somete a una presión externa de 0.35 GPa (~ 3500 bar ).

Módulo de volumen aproximado (K) para otras sustancias

Agua	2.2 GPa (el valor aumenta a presiones más altas)
Metanol	823 MPa (a 20 ° C y 1 Atm)
Aire	142 kPa (módulo de volumen adiabático)
Aire	101 kPa (módulo de volumen a temperatura constante)
Helio sólido	50 MPa (aproximado)

Origen microscópico [ editar ]

Interatómicas potencial y lineal elasticidad [ editar ]

Potencial y fuerza interatómica.

Dado que la elasticidad lineal es un resultado directo de la interacción interatómica, está relacionada con la extensión / compresión de los enlaces. Entonces puede derivarse del potencial interatómico para materiales cristalinos. ^[5] Primero, examinemos la energía potencial de dos átomos que interactúan. Partiendo de puntos muy lejanos, sentirán una atracción hacia el otro. A medida que se aproximan, su energía potencial disminuirá. Por otro lado, cuando dos átomos están muy cerca uno del otro, su energía total será muy alta debido a la interacción repulsiva. Juntos, estos potenciales garantizan una distancia interatómica que logra un estado de energía mínimo. Esto ocurre a cierta distancia a ₀ , donde la fuerza total es cero:

$${\ displaystyle F = - {\ partial U \ over \ partial r} = 0}

Donde U es el potencial interatómico y r es la distancia interatómica. Esto significa que los átomos están en equilibrio.

Para extender el enfoque de los dos átomos a un sólido, considere un modelo simple, por ejemplo, una matriz 1-D de un elemento con una distancia interatómica de a, y la distancia de equilibrio es un ₀ . Su relación potencial energía-distancia interatómica tiene una forma similar a la de los dos átomos, que alcanza un mínimo en un _0. La expansión de Taylor para esto es:

$${\ displaystyle u (a) = u (a_ {0}) + ({\ partial u \ over \ partial r}) _ {r = a_ {0}} (a-a_ {0}) + {1 \ over 2} ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) _ {r = a_ {0}} (a-a_ {0}) ^ {2} + O ((a-a_ {0}) ^ {3})}

En el equilibrio, la primera derivada es 0, por lo que el término dominante es el cuadrático. Cuando el desplazamiento es pequeño, se deben omitir los términos de orden superior. La expresión se convierte en:

$${\ displaystyle u (a) = u (a_ {0}) + {1 \ sobre 2} ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) _ {r = a_ {0} } (a-a_ {0}) ^ {2}}

$${\ displaystyle F (a) = - {\ parcial u \ sobre \ parcial r} = ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) _ {r = a_ {0}} ( a-a_ {0})}

Que es claramente la elasticidad lineal.

Tenga en cuenta que la derivación se realiza considerando dos átomos vecinos, por lo que el coeficiente de Hook es:

$${\ displaystyle K = a_ {0} * {dF \ over dr} = a_ {0} ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) _ {r = a_ {0}} }

Esta forma se puede extender fácilmente al caso 3D, con el volumen por átomo (Ω) en lugar de la distancia interatómica.

$${\ displaystyle K = \ Omega _ {0} ({\ partial ^ {2} \ over \ partial \ Omega ^ {2}} u) _ {\ Omega = \ Omega _ {0}}}

Relación con radio atómico [ editar ]

Como se derivó anteriormente, el módulo de volumen está directamente relacionado con el potencial interatómico y el volumen por átomos. Podemos evaluar aún más el potencial interatómico para conectar K con otras propiedades. Por lo general, el potencial interatómico se puede expresar en función de la distancia que tiene dos términos, uno para la atracción y otro para la repulsión.

$${\ displaystyle u = -Ar ^ {- n} + Br ^ {- m}}

Donde A> 0 representa el término de atracción y B> 0 representa la repulsión. n y m suelen ser integrales, y m suele ser mayor que n, lo que representa la naturaleza de corto alcance de la repulsión. En la posición de equilibrio, u es la mínima, por lo que el derivado de primer orden es 0.

$${\ displaystyle ({\ partial u \ over \ partial r}) _ {r_ {0}} = Anr ^ {- n-1} + - Bmr ^ {- m-1} = 0}

$${\ displaystyle {B \ over A} = {n \ over m} r_ {0} ^ {mn}}

$${\ displaystyle u = -Ar ^ {- n} (1- {B \ sobre A} r ^ {nm}) = - Ar ^ {- n} (1- {n \ sobre m} r_ {0} ^ { mn} r ^ {nm})}

cuando r está cerca, recuerde que la n (generalmente de 1 a 6) es más pequeña que m (generalmente de 9 a 12), ignore el segundo término, evalúe la segunda derivada

$${\ displaystyle ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) _ {r = a_ {0}} = - An (n + 1) r_ {0} ^ {- n-2 }}

Recordemos la relación entre r y

$${\ displaystyle \ Omega = {4 \ pi \ sobre 3} r ^ {3}}

$${\ displaystyle ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial \ Omega ^ {2}} u) = ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) ({\ parcial r \ sobre \ parcial \ Omega}) ^ {2} = ({\ parcial ^ {2} \ sobre \ parcial r ^ {2}} u) \ Omega ^ {- 4/3}}

$${\ displaystyle K = \ Omega _ {0} ({\ parcial ^ {2} u \ sobre \ parcial r ^ {2}}) _ {\ Omega = \ Omega _ {0}} \ propto r_ {0} ^ {-n-3}}

En muchos casos, como en el metal o material iónico, la fuerza de atracción es electrostática, por lo que n = 1, tenemos

$${\ displaystyle K \ propto r_ {0} ^ {- 4}}

Esto se aplica a los átomos con naturaleza de enlace similar. Esta relación se verifica dentro de los metales alcalinos y muchos compuestos iónicos.