¿Cómo se produce el sonido y cómo viaja?
Todo sonido empieza con una vibración: la cuerda de una guitarra, tus cuerdas vocales, el parche de un tambor, el cono de un altavoz. Toca tu garganta mientras tarareas y sentirás cómo tiembla.
El objeto que vibra empuja las partículas de aire que tiene al lado. Estas empujan a las siguientes, y así sigue. Las partículas no viajan hasta tu oído; cada una solo va y viene alrededor de su lugar. Lo que viaja es la perturbación (la energía). Esta perturbación en movimiento es una onda.
Compresiones y rarefacciones
Cuando el cono avanza, las partículas se juntan: es una compresión (presión alta, densidad alta). Cuando retrocede, las partículas se separan: es una rarefacción (presión baja, densidad baja).
Onda longitudinal
En el sonido, las partículas se mueven a lo largo de la dirección en la que viaja la onda. Esa onda se llama onda longitudinal. (En una onda transversal, como la de una cuerda, las partículas suben y bajan, en ángulo recto con la onda.)
El sonido necesita un medio
El sonido necesita partículas a las que empujar. Viaja por sólidos, líquidos y gases, pero no por el vacío. Si se saca el aire de un frasco donde suena un timbre, el sonido se apaga aunque el timbre siga vibrando. Por eso los astronautas hablan por radio en el espacio.
Frecuencia, amplitud, periodo y velocidad
- Longitud de onda (λ): la distancia entre dos compresiones seguidas (o dos rarefacciones). Unidad: metro.
- Frecuencia (f): número de ondas completas (oscilaciones) que pasan por un punto en un segundo. Unidad: hercio (Hz). 1 Hz = 1 onda por segundo.
- Periodo (T): tiempo que tarda una onda completa. T = 1 ÷ f.
- Amplitud (A): el mayor cambio respecto a lo normal (cuánto se mueven las partículas, o cuánto sube la presión).
Tono y volumen
El tono es lo agudo o grave que nos parece un sonido. Depende de la frecuencia. Un silbato o un pájaro pequeño tienen tono agudo; el rugido de un león o un tambor grande tienen tono grave.
El volumen depende de la amplitud. Si golpeas más fuerte el tambor, las vibraciones son mayores, la amplitud es mayor y el sonido es más fuerte. El volumen se mide en decibelios (dB).
El timbre nos permite distinguir una flauta de un violín aunque toquen la misma nota con el mismo volumen. Depende de la forma de la onda.
Velocidad del sonido
En un periodo la onda avanza una longitud de onda, así que v = λ ÷ T = f × λ.
La velocidad depende del medio y de la temperatura, no de la frecuencia. Aproximadamente: aire 340 m/s (a unos 20–25 °C), agua 1500 m/s, acero 5000 m/s. El sonido es más rápido en los sólidos. El aire más caliente lo transporta un poco más rápido.
Gráficas de las ondas sonoras
No podemos ver las partículas de aire, así que hacemos una gráfica. Ponemos la distancia (o el tiempo) en el eje x y la densidad o la presión en el eje y.
- Una cresta (pico) de la gráfica = una compresión.
- Un valle = una rarefacción.
- La distancia de una cresta a la siguiente en una gráfica de distancia = longitud de onda.
- El tiempo de una cresta a la siguiente en una gráfica de tiempo = periodo.
- La altura de la cresta desde la línea central = amplitud.
Compara dos gráficas: crestas más juntas significan mayor frecuencia (tono más agudo); crestas más altas significan mayor amplitud (sonido más fuerte). El paso 2 del 3D dibuja esta curva roja sobre las partículas en movimiento.
Reflexión del sonido: eco y reverberación
El sonido rebota en las superficies duras como la luz en un espejo: el ángulo con el que llega es igual al ángulo con el que sale.
Eco
Un eco es un sonido reflejado que oímos por separado. Nuestro cerebro conserva un sonido durante unos 0,1 s, así que el eco debe volver al menos 0,1 s después. En el aire a 344 m/s, el sonido debe recorrer en total 344 × 0,1 = 34,4 m, por lo que la pared debe estar al menos a unos 17,2 m.
Distancia a una pared: d = v × t ÷ 2 (se divide entre 2 porque el sonido va y vuelve).
Reverberación
En una sala grande, el sonido rebota muchas veces y sigue sonando. Esto es la reverberación. Si hay demasiada, las palabras se entienden mal. Las salas usan cortinas, asientos blandos, alfombras y paneles rugosos que absorben el sonido.
Usos de las reflexiones múltiples
Los megáfonos y las bocinas envían el sonido hacia delante. Los estetoscopios llevan el latido del corazón a los oídos del médico mediante muchas reflexiones dentro de un tubo. Un panel curvo detrás de un escenario envía el sonido hacia el público.
La acústica en edificios históricos
La acústica es la ciencia que estudia cómo se comporta el sonido en un espacio. Los constructores antiguos la aprovechaban muy bien.
- Gol Gumbaz, Bijapur (Vijayapura): su enorme cúpula forma una galería de los susurros. Un susurro junto a la pared recorre la cúpula curva por muchas reflexiones y se oye claramente al otro lado. Un aplauso hace eco varias veces.
- Fuerte de Golconda, Hyderabad: un aplauso bajo la cúpula de la entrada se oye en lo alto del fuerte, y se usaba como señal de alarma.
- Los teatros al aire libre de la Antigüedad tenían forma de cuenco con gradas ascendentes, de modo que la voz del actor llegaba a las últimas filas sin altavoz.
- Templos y cúpulas: los techos curvos reúnen el sonido; las campanas y los cantos resuenan mucho tiempo por la reverberación.
Las salas de conciertos de hoy copian estas ideas y añaden absorbentes de sonido donde hace falta.
Rango de audición: infrasonido y ultrasonido
Los humanos oímos desde unos 20 Hz hasta 20 000 Hz (20 kHz). Los niños oyen sonidos más agudos que las personas mayores.
Infrasonido (por debajo de 20 Hz)
Es demasiado grave para nosotros. Los elefantes y las ballenas lo usan para comunicarse a larga distancia. Los terremotos emiten infrasonido antes del temblor principal, y algunos animales parecen notarlo. Un péndulo que se balancea o una vibración muy lenta producen infrasonido.
Ultrasonido (por encima de 20 kHz)
Es demasiado agudo para nosotros. Los perros, los murciélagos, los delfines y las marsopas sí lo oyen. Usos:
- Ecografías médicas: permiten ver bebés, el hígado, los riñones y el corazón (ecocardiografía) sin hacer daño.
- Romper cálculos renales (piedras del riñón) en granos muy finos.
- Limpieza de piezas de difícil acceso, como tubos en espiral y piezas electrónicas, dentro de un baño líquido.
- Encontrar grietas dentro de bloques de metal: el ultrasonido lo atraviesa, pero una grieta lo refleja.
- SONAR (Sound Navigation And Ranging): los barcos envían ultrasonido hacia abajo y miden el tiempo del eco para hallar la profundidad del mar, submarinos o peces. Profundidad = v × t ÷ 2.
- Los murciélagos vuelan y cazan en la oscuridad escuchando los ecos del ultrasonido.
Pruébalo en casa
Onda en un resorte: Estira un resorte largo (un slinky) en el suelo con un amigo. Empuja un extremo hacia delante y hacia atrás rápidamente. Mira cómo la parte apretada recorre el resorte: es una compresión, igual que en el paso 1.
Teléfono de hilo: Une dos vasos de papel con un hilo de 5 m bien tenso. Habla en uno. El sonido viaja mejor por el hilo tenso (un sólido) que por el aire.
Prueba de tono: Sujeta una regla de acero en el borde de una mesa y hazla vibrar. Acorta la parte libre: primero predice y luego comprueba que el tono sube (mayor frecuencia). Si la golpeas más fuerte: más volumen, el mismo tono.
Fórmulas y definiciones clave
- v = f × λ
- T = 1 ÷ f
- f = 1 ÷ T (Hz)
- Eco / SONAR: distancia = v × t ÷ 2
- Distancia mínima para un eco ≈ 17.2 m (v = 344 m/s)
- Rango audible: 20 Hz – 20 kHz
Ejemplos resueltos
1. Una onda sonora tiene una frecuencia de 500 Hz y una longitud de onda de 0.68 m. Calcula su velocidad.
v = f × λ = 500 × 0.68 = 340 m/s.
2. Un sonido tiene un periodo de 0.002 s. Calcula su frecuencia.
f = 1 ÷ T = 1 ÷ 0.002 = 500 Hz.
3. Un sonido de 170 Hz viaja por el aire a 340 m/s. Calcula su longitud de onda.
λ = v ÷ f = 340 ÷ 170 = 2 m.
4. Un chico aplaude frente a un acantilado y oye el eco 2 s después. La velocidad del sonido es 340 m/s. ¿A qué distancia está el acantilado?
El sonido va y vuelve: recorrido total = 340 × 2 = 680 m. Distancia = 680 ÷ 2 = 340 m.
5. El SONAR de un barco envía ultrasonido y recibe el eco del fondo del mar 3 s después. La velocidad del sonido en el agua de mar es 1500 m/s. Calcula la profundidad.
Profundidad = v × t ÷ 2 = 1500 × 3 ÷ 2 = 2250 m.
6. Se ve un rayo y el trueno se oye 4 s después. ¿A qué distancia cayó el rayo? (v = 340 m/s)
La luz llega casi al instante. Distancia = 340 × 4 = 1360 m (sin ÷ 2, porque el sonido solo hace un viaje de ida).
7. Por un punto pasan 20 compresiones en 0.1 s. Calcula la frecuencia de la onda. ¿Podemos oírla?
f = 20 ÷ 0.1 = 200 Hz. Está entre 20 Hz y 20 000 Hz, así que es audible.
8. ¿Por qué la distancia mínima para un eco claro es de unos 17 m?
El eco debe volver al menos 0.1 s después. Recorrido total = 344 × 0.1 = 34.4 m, y la mitad es la distancia a la pared: 17.2 m.
Errores comunes
- Pensar que las partículas de aire viajan de la fuente al oído. Solo van y vienen; lo que viaja es la energía.
- Confundir tono y volumen. Tono = frecuencia, volumen = amplitud.
- Olvidar dividir entre 2 en los problemas de eco y SONAR (el sonido va y vuelve).
- Creer que un sonido de mayor frecuencia viaja más rápido. En un mismo medio todas las frecuencias van a la misma velocidad; lo que se acorta es λ.