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El sonido está a nuestro alrededor y viene en una miríada de sabores. Algunos son agradables, como la música o el viento que sopla entre las hojas. Otros, como el pitido cuando se rescinde su tarjeta, no tanto. Sabemos que nuestros oídos captan los sonidos, pero entonces, ¿por qué también sentimos el martilleo de una canción en el pecho cuando el bajo es lo suficientemente alto? ¿Y cuál es el vínculo entre los instrumentos que tocan solos y un puente que se derrumba en la década de 1850 en Francia?

Vamos a averiguar.

Onda de sonido con los colores del arcoíris.
Créditos de la imagen Pixabay.

¿Qué es el sonido?

Físicamente hablando, lo que percibimos como sonido es una vibración producida por el movimiento.

Imagina el mundo como una enorme bañera en la que tú, un pato de goma amarillo, flotas alegremente. En varios puntos a lo largo de este mundo regordete, hay grifos que vierten agua. Algunos son más grandes y vierten mucha agua, mientras que otros son diminutos y solo gotean ocasionalmente. Algunos están más cerca de ti, mientras que otros están realmente lejos. Estas son las fuentes del sonido.

Esto es sorprendentemente similar a cómo se vería el sonido si pudiéramos verlo.
Créditos de la imagen Arek Socha.

Independientemente de su posición o tamaño, cada grifo crea vibraciones en forma de ondas en la superficie del agua que es el medio. La mayoría de estos nunca llegarán hasta ti. Para los que sí lo hacen, escucharán el grifo de la fuente. La cantidad de movimiento hacia arriba y hacia abajo en la onda que generó representa la amplitud de los sonidos aproximadamente equivalente a lo que percibimos como volumen. La frecuencia con la que cada uno te salpica, en función de lo juntas que estén las ondas, es la frecuencia de los sonidos que percibimos como tono. La forma en que te empujan las ondas es la dirección de propagación, es decir, de dónde escuchamos que proviene el sonido.

No es una analogía perfecta porque, como ya sospecharás, el mundo no es una bañera y no somos patitos de goma. Pero simplifica las condiciones lo suficiente como para comprender los conceptos básicos. Para que escuche algo, deben suceder algunas cosas: primero, necesita una fuente de movimiento para que comience. En segundo lugar, el sonido viaja como una onda, por lo que debe haber un medio para transportar la vibración entre usted y esta fuente. Debe estar lo suficientemente cerca de la fuente para registrar la vibración antes de que se atenúe o desaparezca. Por último, el sonido debe estar en el intervalo de frecuencia correcto, si la onda es demasiado perezosa o demasiado empinada, no la captará.

Fuente esférica que produce ondas de compresión. El color más oscuro indica una presión más alta.
Créditos de la imagen Thierry Dugnolle.

En la vida real, el medio puede ser cualquier fluido (gas, líquido, plasma) o sólido. Incluso tú eres uno. Las propiedades de los medios determinan cómo se propaga el sonido: los fluidos transportan el sonido solo como ondas de compresión, que son bandas alternas de baja y alta presión, mientras que puede propagarse tanto como ondas de compresión como transversales (de corte) a través de los sólidos. La densidad del medio determina la velocidad de un sonido, mientras que su viscosidad (la fuerza con la que las partículas se adhieren entre sí y resisten el movimiento) dicta qué tan lejos puede viajar antes de que se quede sin energía o se atenúe.

Estas propiedades no son constantes a través del espacio o el tiempo. Por ejemplo, la dilatación por calor puede causar un cambio en partes de las propiedades del medio, alterando la rapidez con la que se propagan los sonidos en diferentes puntos. La vibración también puede transferirse de un medio a otro, cada uno con diferentes propiedades. Si está vestido con un traje de astronauta sellado en la Tierra y habla lo suficientemente alto, la gente aún podrá escucharlo. Lleve a dos astronautas al vacío del espacio y no se escucharán hablar porque no hay partículas que transporten la vibración entre ellos. Pero si se paran de visera a visera, es posible que se escuchen débilmente, ya que el traje y el aire en su interior transmiten parte del sonido.

Percibir es creer

Desde un punto de vista subjetivo, la respuesta a lo que es el sonido se reduce a lo que puedes escuchar. El oído humano normalmente puede captar frecuencias entre 20 Hz y 20 kHz (20 000 Hz), aunque la edad, los rasgos personales y la presión del medio modifican estos límites. Todo lo que está por debajo de 20 Hz se llama infrasonido (bajo sonido), todo lo que está por encima de 20 kHz se llama ultrasonido (sobre-sonido).

Todo lo que has escuchado cae dentro de este intervalo que, para ser justos, es bastante limitado. Los gatos y los perros pueden escuchar ultrasonidos de hasta 45-65 kHz respectivamente, por lo que aúllan con un silbido que ni siquiera puedes escuchar. Algunas ballenas y delfines pueden incluso llegar a los 100 kHz o más, un intervalo que utilizan para comunicarse. Aún así, están limitados en cuanto a las frecuencias más bajas que pueden escuchar. Una vaca promedio, sin embargo, probablemente pueda percibir una gama más amplia de sonidos que usted en ambos extremos.

Este gato tiene una lista de reproducción completa de música increíble que ni siquiera puedes escuchar.
Imagen de dominio público.

Aparte de esas cuatro propiedades físicas del sonido que he mencionado anteriormente, también se perciben cualidades de un sonido. El tono y el volumen están directamente relacionados con las propiedades físicas de los sonidos simples, pero esta relación se rompe con los sonidos complejos. También hay una duración percibida de los sonidos (la duración de un sonido) que está influenciada principalmente por la claridad con la que puede escucharlo, el timbre de un sonido (la forma en que se comporta un sonido con el tiempo, haciéndolo distinto de otros sonidos), su textura (la interacción entre diferentes fuentes), y finalmente la ubicación espacial (donde las diferentes fuentes son relativas entre sí).

Su percepción también puede influir aún más en los sonidos que está escuchando a través del efecto Doppler. La ubicación espacial relativa de un sonido para usted a lo largo del tiempo puede disminuir o aumentar la frecuencia percibida de un sonido. Es por eso que puede saber si un automóvil se está acercando, alejándose de usted o simplemente está parado en el tráfico, por el tono del sonido.

Resonancia

Hace algún tiempo, los músicos descubrieron que tocar notas particulares podía hacer vibrar los acordes de otros instrumentos, incluso cuando nadie los tocaba. El fenómeno fue apodado por el término latino para eco, ya que los acordes parecían recoger y repetir el sonido que se les tocaba y el latín suena genial. Sin saberlo, se toparon con un fenómeno que vería a los soldados de hoy en día ordenados a romper el paso al cruzar puentes para evitar que colapsen por resonancia.

Posibles efectos secundarios de la resonancia.
Créditos de la imagen Vladyslav Topyekha.

Ok, entonces el poco nerd primero. Cada objeto tiene la capacidad de oscilar o cambiar entre varios estados de almacenamiento de energía. Si arregla un extremo de un resorte, ata un peso al otro, tira hacia abajo y luego suelta dicho peso, subirá y bajará como un loco y luego se asentará gradualmente. Ese movimiento es causado por el sistema que oscila entre diferentes estados de energía, energía cinética mientras el peso está en movimiento, energía potencial elástica mientras está abajo y energía potencial gravitacional mientras está arriba. Eventualmente se asienta en un punto particular porque este cambio es ineficiente y el sistema pierde energía en general (llamado amortiguamiento) cuando pasa de un estado a otro.

Pero los objetos también tienen algo llamado frecuencia resonante que funciona al revés. Pueden resonar con todo tipo de ondas, desde ondas mecánicas/acústicas hasta resonancia nuclear-magnética o cuántica. Cada objeto puede tener más de una de esas frecuencias para cada tipo de onda.

Cuando vibran en una de estas frecuencias, los sistemas pueden sufrir el cambio con mucha mayor eficiencia, por lo que las vibraciones externas pequeñas pero sostenidas pueden acumularse dentro del sistema para generar oscilaciones poderosas. Incluso puede hacer que un sistema contenga más energía de la que puede soportar, lo que provocaría su ruptura. Este fenómeno se hizo trágicamente evidente el 16 de abril de 1850 en el puente de Angers, Francia, cuando la cadencia de marcha de un batallón de soldados que cruzaba el puente amplificó las oscilaciones inducidas por el viento, igualando la frecuencia de resonancia de las estructuras, lo que provocó el colapso y la muerte de unos 200 efectivos.

El sonido es básicamente una onda mecánica, por lo que también puede inducir estas oscilaciones resonantes en objetos llamadas resonancia acústica. Si alguna vez has visto a alguien cantar un vaso hasta el punto de romperse, este es el fenómeno en acción. Si no, puedes ver a Chase aquí adorablemente emocionado cuando lo logra.

Otras cosas geniales y no geniales suenan

Voy a comenzar la lista de cosas geniales con el refrigerador sónico porque lo entiendes, ¿genial? ¿ Refrigeradores ? Amo mi trabajo.

Dejando de lado los juegos de palabras, a mediados del año pasado, un equipo del Departamento de Ingeniería de Motores Primarios de la Universidad de Tokai en Japón desarrolló un sistema que utiliza frecuencias resonantes para bombear y comprimir refrigerante en un refrigerador en lugar de los sistemas tradicionales. Su motor extrae energía del calor residual del frigorífico, lo que lo convierte en un sistema mucho más eficiente energéticamente.

El sonido generado por las vibraciones de los átomos individuales se puede utilizar para identificar sus especies químicas, informó un equipo de Georgia Tech el año pasado. Estas vibraciones pueden incluso decirles a los investigadores qué sustancias, y en qué estados particulares, múltiples átomos se agrupan para formar. Es tan preciso que el CERN ya está utilizando el método para identificar partículas subatómicas individuales.

El sonido también puede ayudarnos a detener los tsunamis antes de que lleguen a la costa, según el Dr. Usama Kadri de la Facultad de Matemáticas de la Universidad de Cardiff. Las matemáticas muestran que es un método viable, aunque todavía no tenemos las capacidades técnicas para implementarlo.

Los investigadores del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Alemania también han descubierto una forma de utilizar el sonido en un rayo tractor acústico. Ni siquiera necesito explicar por qué eso es increíble.

El sonido también puede ser muy agradable, en forma de música para humanos y gatos por igual.

Ciertos sonidos pueden hacer que tu comida tenga un sabor más dulce o más amargo, otros pueden ayudarte a hacer dieta, pero estos están más ligados a la percepción que a la física.

En la lista de tipos no geniales tenemos armas basadas en sonido. Desde armas antiguas que usaban la percepción para sacudir la moral del enemigo, las infames sirenas de Jericó en los StuKas nazis utilizadas como armas psicológicas durante la Segunda Guerra Mundial (bastante efectivas al principio, luego se retiraron del servicio porque arruinaron la aerodinámica de los aviones y los soldados se acostumbraron a ellas), hasta Los cañones acústicos modernos para el control de multitudes empleados por la policía y las fuerzas armadas utilizados con diversos grados de éxito ético El sonido siempre ha desempeñado un papel en la guerra.

También hay algunos artículos más exóticos en la lista, como la nota marrón muy buscada pero aún no descubierta. Se creía que esto coincidía con la frecuencia de resonancia de los intestinos humanos y hacía que los soldados se ensuciaran sin darse cuenta en el combate. Aunque diría que solo haría que su camuflaje fuera más efectivo.

Por detrás, al menos.

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