Calcular las frecuencias armónicas y las longitudes de onda de una onda estacionaria en una cuerda o en una tubería (abierta o cerrada), a partir de la longitud y la velocidad de la onda.
Entradas
m
Longitud de el string o pipe.
m/s
Speed de el wave en el medium — 340 m/s para sound en air, much lower para un stretched string.
1 = fundamental, 2 = second harmonic, y so en. 1 = fundamental, 2 = second harmonic, y so en.
Harmonic Frecuencia
—
Elija un sistema e ingrese la longitud, la velocidad de la onda y un número armónico arriba.
Entradas
m
Longitud de el string o pipe.
m/s
Speed de el wave en el medium.
Fundamental Frecuencia
—
Elija un sistema e ingrese la longitud y la velocidad de onda arriba para ver los primeros 8 armónicos.
Armónico (n)
Entonado
Frecuencia (Hz)
Longitud de onda (m)
Entradas
m
Longitud de el string o pipe.
m/s
Speed de el wave en el medium.
1 = fundamental, 2 = second harmonic, y so en. 1 = fundamental, 2 = second harmonic, y so en.
Longitud de onda armónica
—
Elija un sistema e ingrese la longitud, la velocidad de la onda y un número armónico arriba.
5 min de lectura3 pasos7 términos3 ejemplos6 preguntas frecuentesfn = n · v / (2L), n = 1, 2, 3, 4, …
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Paso a paso
Cómo usar esta calculadora
3 pasos▸
1
Elige un sistema e ingresa la longitud y la velocidad de onda
En la pestaña Armónico, elige si estás modelando una cuerda fija en ambos extremos, un tubo abierto en ambos extremos, o un tubo cerrado en un extremo. Ingresa la longitud de la cuerda o tubo (en metros) y la velocidad de la onda (en m/s —340 m/s para el sonido en el aire a temperatura ambiente, o un valor menor calculado a partir de la tensión y masa por unidad de longitud de una cuerda). La calculadora se actualiza al instante mientras escribes.
2
Elige un número armónico para ver su frecuencia y longitud de onda
Ingresa un número armónico n (1 = fundamental, 2 = segundo armónico, y así sucesivamente). La calculadora devuelve de inmediato la frecuencia y longitud de onda de ese armónico. Los tubos cerrados solo admiten armónicos impares (1º, 3º, 5º…) —si ingresas un número par para un tubo cerrado, la calculadora ajusta al armónico impar válido más cercano y muestra una nota explicando por qué.
3
Cambia a Serie de Sobretonos para la tabla completa de la serie armónica
La pestaña Serie de Sobretonos muestra los primeros 8 armónicos válidos para el sistema seleccionado como un gráfico de barras y una tabla, sin necesidad de elegir un número armónico específico. Usa la pestaña Longitud de Onda cuando quieras partir de la longitud de onda en lugar de la frecuencia para las mismas entradas.
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Referencia
Fórmula y metodología
3 fórmulas▸
Cuerda (fija en ambos extremos) o tubo abierto (ambos extremos abiertos)
fn = n · v / (2L), n = 1, 2, 3, 4, …
Todo entero positivo n es un armónico válido. fn es la frecuencia del n-ésimo armónico en hercios (Hz), v es la velocidad de la onda en metros por segundo (m/s), y L es la longitud de la cuerda o tubo en metros (m). Una cuerda fija en ambos extremos y un tubo abierto en ambos extremos comparten la misma fórmula porque ambas condiciones de frontera fuerzan un patrón de antinodo a antinodo (o de nodo a nodo) que encaja un número entero de medias longitudes de onda dentro de la longitud.
Tubo cerrado (un extremo cerrado, un extremo abierto)
fn = n · v / (4L), n = 1, 3, 5, 7, … (solo impares)
Solo existen armónicos impares para un tubo cerrado en un extremo. El extremo cerrado debe ser un nodo (desplazamiento cero) y el extremo abierto debe ser un antinodo, lo que solo encaja un cuarto de longitud de onda (más medias longitudes de onda enteras) dentro del tubo —por lo que los armónicos 2º, 4º, 6º, etc. son físicamente imposibles. A la misma longitud y velocidad de onda, la fundamental de un tubo cerrado es exactamente la mitad de la frecuencia de la fundamental de un tubo abierto.
Longitud de onda armónica
λn = 2L / n (cuerda/tubo abierto) o λn = 4L / n (tubo cerrado, n impar)
La longitud de onda del n-ésimo armónico se deriva directamente de la misma relación de longitud y condición de frontera usada para la frecuencia —no depende en absoluto de la velocidad de la onda, solo del sistema, la longitud y el número armónico.
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Glosario
Términos clave explicados
7 términos▸
Onda estacionariaUn patrón de onda que parece estacionario, formado cuando dos ondas de la misma frecuencia viajan en direcciones opuestas e interfieren —típicamente una onda que se refleja en una frontera fija o abierta e interfiere consigo misma. El resultado es un patrón fijo de nodos y antinodos en lugar de una onda que viaja visiblemente.
ArmónicoUna de las frecuencias discretas a las que un sistema forma naturalmente una onda estacionaria, numeradas n = 1, 2, 3, … (o n = 1, 3, 5, … para un tubo cerrado). Cada armónico encaja un número entero o medio entero específico de longitudes de onda dentro de la longitud de la cuerda o tubo.
FundamentalEl primer armónico (n = 1) —la frecuencia más baja posible a la que puede formarse una onda estacionaria en una cuerda o tubo dado. Es el tono más bajo, y usualmente más fuerte, que produce el sistema.
SobretonoCualquier armónico por encima de la fundamental. El 2º armónico es el 1er sobretono, el 3er armónico es el 2º sobretono, y así sucesivamente —para un tubo cerrado (solo armónicos impares), el 3er armónico es el 1er sobretono, el 5º armónico es el 2º sobretono, etc.
NodoUn punto fijo a lo largo de la onda estacionaria donde el desplazamiento siempre es cero. Una cuerda fija en ambos extremos tiene un nodo en cada extremo; un tubo cerrado en un extremo tiene un nodo en el extremo cerrado.
AntinodoUn punto fijo a lo largo de la onda estacionaria donde el desplazamiento oscila con amplitud máxima. Un extremo abierto de un tubo siempre es un antinodo, al igual que el punto medio de una cuerda vibrando en su modo fundamental.
Tubo abierto vs. cerradoUn tubo abierto tiene ambos extremos abiertos al aire (ambos extremos son antinodos) y se comporta como una cuerda fija en ambos extremos —existen todos los armónicos enteros. Un tubo cerrado tiene un extremo sellado (un nodo) y un extremo abierto (un antinodo), lo que lo restringe solo a armónicos impares y reduce a la mitad su frecuencia fundamental comparado con un tubo abierto de la misma longitud.
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Escenarios
Ejemplos del mundo real
3 ejemplos▸
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Estudiante de música
Frecuencia fundamental de una cuerda de 1 metro
Sistema Cuerda (fija en ambos extremos)Longitud 1 mVelocidad de la onda 340 m/sNúmero armónico 1
f1 = 1 × 340 / (2 × 1) = 170 Hz. Esta es la fundamental —la nota más baja que puede producir la cuerda a esta longitud y velocidad de onda. Duplicar la velocidad de la onda (aumentando la tensión) o reducir a la mitad la longitud duplicaría la frecuencia fundamental.
🎺
Constructor de instrumentos de banda
Los armónicos de un tubo cerrado solo vienen en números impares
Sistema Tubo cerrado (un extremo cerrado)Longitud 1 mVelocidad de la onda 340 m/sNúmero armónico 3
La fundamental es f1 = 1 × 340 / (4 × 1) = 85 Hz —la mitad de la fundamental de una cuerda/tubo abierto a la misma longitud, porque el extremo cerrado fuerza una longitud de onda efectiva mayor. El 3er armónico (el primer sobretono que este tubo realmente puede producir) es f3 = 3 × 340 / (4 × 1) = 255 Hz. No hay un 2º armónico a 170 Hz para un tubo cerrado —ingresar un número armónico par lo ajusta al siguiente impar.
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Estudiante de física
Despejar la longitud de onda en lugar de la frecuencia
Sistema Cuerda (fija en ambos extremos)Longitud 1 mNúmero armónico 2
λ2 = 2 × 1 / 2 = 1 m. El segundo armónico en una cuerda de 1 metro tiene una longitud de onda igual a la longitud completa de la cuerda —un ciclo completo de onda encaja a lo largo de la cuerda, con un nodo en cada extremo y uno en el medio.
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Referencia
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Análisis a fondo
Por qué las ondas estacionarias solo resuenan a ciertas frecuencias
Una cuerda de guitarra, una flauta y un tubo de órgano producen sonido de la misma manera fundamental: una onda se refleja sobre sí misma dentro de una longitud fija, y solo frecuencias específicas encajan en esa longitud sin cancelarse a sí mismas. Esta calculadora encuentra esas frecuencias —los armónicos— para una cuerda fija en ambos extremos, un tubo abierto en ambos extremos, o un tubo cerrado en un extremo, y muestra en qué se diferencia el caso del tubo cerrado de los otros dos.
Las condiciones de frontera deciden qué frecuencias sobreviven
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Una onda que viaja a lo largo de una cuerda o baja por un tubo se refleja cuando golpea una frontera. Si la onda reflejada y la onda original se alinean perfectamente —cresta con cresta, valle con valle— se refuerzan mutuamente en un patrón estable y estacionario: una onda estacionaria. Si no se alinean, la onda interfiere destructivamente consigo misma y se extingue. Que una frecuencia se alinee depende enteramente de las condiciones de frontera en cada extremo. Una cuerda fija en ambos extremos y un tubo abierto en ambos extremos comparten la misma regla: ambos extremos deben ser nodos (cuerda) o antinodos (tubo abierto), lo cual solo ocurre cuando la longitud equivale a un número entero de medias longitudes de onda —L = n·λ/2, dando fn = n·v/(2L) para todo entero positivo n.
Por qué un tubo cerrado solo produce armónicos impares
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Un tubo cerrado en un extremo tiene condiciones de frontera desiguales: el extremo cerrado debe ser un nodo (el aire no puede moverse ahí) y el extremo abierto debe ser un antinodo (el aire se mueve libremente). Esa combinación solo encaja un cuarto de longitud de onda, más cualquier número entero de medias longitudes de onda adicionales, dentro de la longitud del tubo —L = n·λ/4 solo para n impar. Los valores pares de n requerirían que el extremo abierto también fuera un nodo, lo cual contradice la condición de frontera física, así que esas frecuencias simplemente nunca se forman. El resultado práctico: la fundamental de un tubo cerrado es exactamente la mitad de la frecuencia de un tubo abierto o cuerda idéntico en longitud, y omite por completo cada armónico par —lo cual es parte de la razón por la que los clarinetes (comportamiento en gran medida de tubo cerrado) suenan diferente a las flautas (comportamiento de tubo abierto) incluso cuando se construyen con una longitud similar.
Leyendo nodos, antinodos y sobretonos juntos
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Cada armónico por encima de la fundamental se llama sobretono, y cada uno agrega otro par nodo-antinodo a lo largo de la longitud. La fundamental (n=1) tiene el patrón más simple —un único antinodo en el medio de una cuerda, o en el extremo abierto de un tubo. Los instrumentos reales rara vez producen un único armónico puro; producen una mezcla dominada por la fundamental con sobretonos progresivamente más suaves superpuestos, y la fuerza relativa de esos sobretonos es gran parte de lo que hace que un violín suene diferente de una flauta tocando exactamente el mismo tono fundamental. La pestaña Serie de Sobretonos de esta calculadora muestra la pila completa de frecuencias armónicas que puede producir tu sistema, que es el punto de partida para entender ese sonido más rico y real.
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Preguntas
Preguntas frecuentes
6 preguntas▸
¿Qué es la frecuencia fundamental?+
La fundamental es el primer armónico, n = 1 —la frecuencia más baja a la que puede formarse una onda estacionaria en una cuerda o tubo dado. Cada otro armónico es un múltiplo entero de la fundamental para una cuerda o tubo abierto, o un múltiplo entero impar para un tubo cerrado.
¿Cuál es la fórmula para una cuerda o tubo abierto?+
fn = n·v/(2L), donde n es cualquier entero positivo (1, 2, 3, …), v es la velocidad de la onda, y L es la longitud. Una cuerda fija en ambos extremos y un tubo abierto en ambos extremos usan la misma fórmula porque ambas condiciones de frontera requieren el mismo espaciado nodo/antinodo.
¿Por qué un tubo cerrado solo tiene armónicos impares?+
Un tubo cerrado en un extremo debe tener un nodo en el extremo cerrado y un antinodo en el extremo abierto. Esa condición de frontera desigual solo encaja un número impar de cuartos de longitud de onda dentro de la longitud del tubo, así que la fórmula es fn = n·v/(4L) restringida a n = 1, 3, 5, 7, … —los armónicos pares son físicamente imposibles para esta configuración.
¿Qué son los nodos y los antinodos?+
Un nodo es un punto fijo en la onda estacionaria donde el desplazamiento siempre es cero (como los dos extremos fijos de una cuerda de guitarra). Un antinodo es un punto fijo donde el desplazamiento oscila con amplitud máxima (como el extremo abierto de un tubo, o el medio de una cuerda vibrando en su fundamental).
¿Qué unidades usa esta calculadora?+
La longitud está en metros (m), la velocidad de la onda en metros por segundo (m/s), los resultados de frecuencia en hercios (Hz), y los resultados de longitud de onda en metros (m). Usa 340 m/s como un valor predeterminado razonable para la velocidad del sonido en el aire a temperatura ambiente si estás modelando un instrumento de viento o tubo.
¿Cuál es la diferencia entre un armónico y un sobretono?+
Los armónicos se numeran comenzando desde la fundamental como armónico 1. Los sobretonos se numeran comenzando desde la primera frecuencia por encima de la fundamental —así que el 2º armónico es el 1er sobretono, el 3er armónico es el 2º sobretono, y así sucesivamente (para la secuencia solo impar de un tubo cerrado, el 3er armónico es el 1er sobretono, el 5º es el 2º sobretono).
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