Fundamentos de la Acústica: Vibración, Propagación y Fenómenos Sonoros

Introducción a la Física del Sonido

El sonido es una forma de energía que se propaga a través de ondas. Para comprenderlo, es fundamental explorar sus propiedades, su producción y cómo interactúa con diferentes medios. A continuación, se abordan preguntas clave sobre los principios básicos de la acústica.

Producción y Naturaleza del Sonido

¿Cómo se produce el sonido y qué tienen en común todas sus formas?

El sonido se produce siempre por la vibración de un objeto. Ya sea una cuerda de guitarra, las cuerdas vocales o una membrana de altavoz, la esencia de la producción sonora radica en el movimiento oscilatorio de una fuente que perturba el medio circundante.

¿Qué debe suceder para que una cuerda de guitarra, un altavoz, la cuerda de un violín o las láminas de un xilófono emitan un sonido?

Para que cualquiera de estos instrumentos o dispositivos emita sonido, es imprescindible que vibren. Sin vibración, no hay sonido.

Experimento con el Xilófono: La Vibración como Fuente Sonora

Cuando se golpea una de las láminas de un xilófono con una baqueta:

• ¿Por qué deja de sonar al poner un dedo sobre la lámina?

  Deja de sonar porque al colocar el dedo, se amortigua la vibración de la lámina, impidiendo que esta perturbe el aire y genere ondas sonoras.

• ¿Qué demuestra este hecho sobre la forma en que se produce el sonido?

  Este hecho demuestra de manera concluyente que la vibración es la causa fundamental de la producción del sonido. Si la vibración cesa, el sonido también lo hace.

Propagación del Sonido

¿Puede propagarse el sonido por el agua y por un material sólido?

Sí, el sonido puede propagarse tanto por el agua (un medio líquido) como por un material sólido. De hecho, la velocidad del sonido es generalmente mayor en líquidos y sólidos que en gases, debido a la mayor densidad y rigidez de sus partículas.

¿Puede propagarse el sonido en el vacío?

No, el sonido no puede propagarse en el vacío. Esto se debe a que el sonido es una onda mecánica, lo que significa que requiere un medio material (sólido, líquido o gas) para que sus vibraciones se transmitan de una partícula a otra. En el vacío, al no haber partículas, no hay forma de que la energía sonora se propague.

El Sonido en el Espacio: Realidad vs. Ficción

En algunas películas de ciencia ficción, cuando una nave espacial estalla, se escucha el sonido producido por la explosión. ¿Crees que esta situación es real?

No, esta situación no es real desde el punto de vista físico. En el espacio exterior, que es prácticamente un vacío, el sonido de una explosión no podría propagarse y, por lo tanto, no sería audible. Las explosiones en el espacio son silenciosas.

Fenómenos Sonoros y sus Características

El Eco: Reflexión del Sonido

¿Qué es el eco y cómo se produce?

El eco es un fenómeno sonoro que se produce por la reflexión del sonido cuando este choca contra una superficie y regresa al punto de origen. Para que el oído humano pueda distinguir claramente el sonido original del eco, debe haber una diferencia mínima de tiempo de aproximadamente 0.1 segundos entre la percepción de ambos sonidos. Esto implica que la superficie reflectora debe estar a una distancia mínima de unos 17 metros (considerando la velocidad del sonido en el aire).

Velocidad del Sonido: Truenos y Relámpagos

¿Por qué se escucha siempre un trueno después de un relámpago o un rayo?

Se escucha el trueno (el sonido) siempre después de ver el relámpago (la luz) porque la velocidad de la luz es muchísimo mayor que la velocidad del sonido en el aire. La luz viaja a aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, mientras que el sonido lo hace a unos 343 metros por segundo. Por lo tanto, la luz del relámpago llega a nuestros ojos casi instantáneamente, mientras que el sonido del trueno tarda un tiempo perceptible en recorrer la misma distancia.

Tono: Grave vs. Agudo

¿Qué es un tono grave y uno agudo? ¿En qué se diferencian?

La diferencia entre un tono grave y uno agudo radica en su frecuencia de vibración:

• Un tono grave corresponde a una baja frecuencia, es decir, el objeto vibra menos veces por segundo.
• Un tono agudo corresponde a una alta frecuencia, lo que significa que el objeto vibra más veces por segundo.

La frecuencia se mide en Hertz (Hz), que representa el número de vibraciones por segundo.

Cálculos y Aplicaciones de la Frecuencia y Velocidad del Sonido

Cálculo de Frecuencia

Un cuerpo efectúa 12.000 vibraciones por segundo.

1. ¿Cuál es su frecuencia en Hz?

   La frecuencia se define como el número de vibraciones por unidad de tiempo. Por lo tanto, si el cuerpo efectúa 12.000 vibraciones por segundo, su frecuencia es de 12.000 Hz.

2. ¿La frecuencia calculada entra dentro del rango audible de frecuencias?

   Sí. El rango de audición humana típico abarca desde aproximadamente 20 Hz hasta 20.000 Hz. Una frecuencia de 12.000 Hz se encuentra dentro de este rango, aunque se considera una frecuencia alta, no baja.

Cálculo de Vibraciones Totales

La frecuencia a la que vibra una cuerda es de 800 Hz. ¿Cuántas vibraciones habrá efectuado en 20 segundos?

Dado que la frecuencia es de 800 Hz (800 vibraciones por segundo), en 20 segundos la cuerda habrá efectuado:

800 vibraciones/segundo × 20 segundos = 16.000 vibraciones

Cálculo del Tiempo de Propagación del Sonido

Un barco que navega a 2 km de distancia de la costa hace sonar su sirena. Suponiendo que el sonido se transmite tanto por el agua como por el aire, ¿cuánto tardaríamos en percibir el sonido sumergidos en el agua y a través del aire?

Para resolver esto, utilizamos la fórmula: tiempo = distancia / velocidad.

Consideramos las velocidades aproximadas del sonido:

• Velocidad del sonido en el agua: ~1533 m/s (valor proporcionado en el original)
• Velocidad del sonido en el aire: ~340 m/s (valor proporcionado en el original)

La distancia es de 2 km, que equivale a 2000 metros.

• Tiempo en el agua:

  Tiempo = 2000 m / 1533 m/s ≈ 1.3 segundos

• Tiempo en el aire:

  Tiempo = 2000 m / 340 m/s ≈ 5.9 segundos

Como se observa, el sonido viaja mucho más rápido en el agua que en el aire, por lo que se percibiría antes si estuviéramos sumergidos.