La Naturaleza del Sonido - Cienciorama

 La Naturaleza del Sonido
Rubén G. Cárdenas*
Desde que el primer homínido caminó por las planicies, tuvo que
escuchar el sonido de la naturaleza: el trinar de los pájaros, el sonido
del mar? El sonido es uno de los fenómenos naturales mas cercanos a la
humanidad.
Los sonidos pueden ser ordenados de tal manera que con ellos
producimos lo que llamamos música, que de alguna manera delimita
culturas, épocas, hazañas, tristezas y, en general, sensaciones.
El sonido es capaz de alterar el estado mecánico de un medio, esto es:
puede cambiar la posición, la velocidad y la energía interna de los
componentes de un medio, por ejemplo: las moléculas y los átomos. Por
lo tanto para que se propague, se necesita de un medio que responda a
la perturbación.
El sonido sólo puede transmitirse por medios que tengan la propiedad de
ser isótropos (que tengan las mismas propiedades físicas y químicas en
todas las direcciones),y elásticos, es decir: que sean capaces de restituir
por sí mismos su estado de equilibrio (cuando el medio se hallaba sin
perturbar). Debido a que el sonido se propaga por medio de la vibración
mecánica de una molécula transmitida hacia su vecina; si los elementos
del medio no están suficientemente cerca el sonido no se puede
transmitir, como sucede en el espacio exterior (1) un medio que se
considera vacío(2).
En el caso del aire la distancia media entre las moléculas que lo integran
es de aproximadamente 3.4 x10-9 metros, además es un medio isótropo
y un fluido elástico por lo que es posible la transmisión sonora a través
de él. De hecho, para estudiar como se comporta el sonido
podemos visualizar la manera en que responden las moléculas del aire
cuando se propagan y establecer un patrón de movimiento.
Observemos la figura 2.1 . En ella se muestra a un cilindro lleno de aire
que tiene tapado uno de sus extremos; en el otro, se encuentra
un parche o membrana de tambor. Cuando golpeamos la membrana
ésta comienza a vibrar (ver fig. 2.1) y golpea a las moléculas de aire
más cercanas desplazándolas en la dirección que muestra la figura 2.2.
Inmediatamente después se genera un vacío entre la membrana y las
moléculas de aire desplazadas que tenderá a ser rellenado por las
mismas moléculas moviéndose ahora en la dirección contraria (ver fig.
2.3). El resultado neto de este movimiento es que se crean zonas de
diferente presión (zonas de más presión donde las moléculas están mas
juntas (en la figuras en color negro) y menor presión donde se
encuentran más separadas unas de otras (en la figuras en color
naranja)) (ver fig. 2.4). Mientras la membrana del tambor siga vibrando
este patrón de movimiento en las moléculas de aire continuará y se
propagará por el medio, y éste responderá generando lo que llamamos
sonido. A la sucesión de éstas perturbaciones en un medio le llamamos
onda sonora.
En ésta, la energía mecánica (3) generada por la vibración de los
elementos que componen al medio se va alejando de la fuente en forma
de perturbaciones (ondas) que se propagan en el medio circundante. Su
dirección de propagación dependerá del tipo de la fuente sonora de
que se trate. Por ejemplo: si el sonido se emite en todas las direcciones
desde la fuente (por ejemplo como cuando golpeamos una superficie
con un martillo), a la fuente se le conoce como omnidireccional, y la
energía emitida se dispersará en forma de esferas concéntricas que se
irán alejando de la fuente perdiendo energía al mismo tiempo. En la
figura se muestra el caso de una fuente omnidireccional vista desde
arriba (izq) y de frente (derecha) (4).
Figura 1.
Cuando se ha generado una zona de mayor presión seguida de una zona
de menor presión, decimos que se ha cumplido un ciclo.
Figura 2.
De este modo, 4 ciclos corresponden a 4 zonas de mas/menos presión
como lo muestra la figura 3.
Figura 3.
El tipo de sonido generado, dependerá de cuántos ciclos se han llevado
a cabo cada segundo y a la cuantificación de este cambio en ciclos por
segundo (número de ciclos que se han llevado a cabo en un segundo)
se le llama frecuencia (la cual se mide en Hertz (Hz): ciclos por
segundo). De esta manera podemos hablar de un sonido de 30Hz, de
120Hz, etc.
Todo cuerpo que vibre y que se encuentre en un medio elástico
generará sonido independientemente si es audible para nosotros o no.
Para que el sonido sea audible por los humanos, tiene que generar un
mínimo de 20 oscilaciones completas cada segundo, o 20 Hertz,
aproximadamente.
(1).Hagamos una diferencia entre el espacio exterior y el espacio aéreo
(dentro de las atmósferas de los planetas), porque el espacio exterior,
no se sabe a ciencia cierta de que está hecho; 75% de ?energía oscura?,
materia condensada fría (0,03%), materia estelar (0,5%), neutrinos
(partículas sin masa, 0,3%), materia oscura (25%) y energía oscura
(75%). Partículas todas que generan un medio no isótropo.
(2).Aunque no hay un límite claro entre la atmósfera terrestre y el
espacio exterior (debido a que la densidad de la atmósfera decrece
gradualmente a medida que la altitud aumenta) la Federación
Aeronáutica Internacional ha establecido una convención para establecer
el límite entre la atmósfera y el espacio (conocida como línea de
Kármána) a una altitud de 100 kilómetros por encima de la superficie. A
esta altura, la cantidad de materia por unidad de área es sumamente
baja, esto es: la densidad es tan pequeña (aproximadamente
de 9.9×10−27 kilogramos/metro3, cerca de 5.9 átomos de hidrógeno por
el metro cúbico) que si consideramos que a temperatura ambiente y
presión atmosférica normal, un metro cúbico de aire contiene
aproximadamente 2 × 1025 moléculas, y cada molécula contiene entre
14 y 20 átomos (considerando los elementos que conforman al aire:
oxígeno, nitrógeno, argón, helio, xenón, entre otros); el espacio exterior
está prácticamente vacío.
(3) La energía desarrollada por el movimiento de un cuerpo
(4)No hay que confundir este ejemplo con el caso de una piedra
arrojada a un estanque, pues aunque los patrones en el medio son
similares, en el caso del lago la onda mecánica generada por la piedra al
perturbar a la superficie del estanque solamente desplaza a las
moléculas de agua hacia arriba y hacia abajo, mientras que en el caso
de una fuente sonora, se tienen compresiones y descompresiones del
medio aire.
-----------------------------------------------------------------* Físico, estudiante de doctorado, Ciencias de la Atmósfera, UNAM
Referencias
*Howard, David M. Acoustics and Psychoacoustics. James Angus Music
Technology Series. Londres: ELSEVIER, 2000.
*Ruiz Padilla, Diego Pablo. Fundamentos de Acústica Física. Ganada:
Departamento de Física Aplicada, 2003.
*Miyara, Federico. Acústica y Sistemas de Sonido. Buenos Aires: UNR,
2000.