Este post forma parte de la Mini Semana, en la que estoy publicando un nuevo mini post, pero no realmente mini, ya que resulta que todos los días de esta semana.
___________
Siempre he estado un poco confundido sobre el sonido. Así que para el «mini» post del martes, decidí hacer algo al respecto.
Pensamos en el sonido como algo que oímos-algo que hace ruido. Pero en términos de física pura, el sonido es sólo una vibración que atraviesa la materia.
La forma en que una vibración «atraviesa» la materia es en forma de onda sonora. Cuando piensas en ondas sonoras, probablemente pienses en algo así:1
Pero no es así como funcionan las ondas sonoras. Una onda así se llama onda transversal, en la que cada partícula individual se mueve hacia arriba y hacia abajo para crear una situación de serpiente.
Una onda sonora se parece más a una situación de lombriz:2
Al igual que una lombriz, el sonido se mueve comprimiéndose y descomprimiéndose. Esto se llama una onda longitudinal. Un slinky puede hacer ambos tipos de ondas:13
El sonido comienza con una vibración de algún tipo que crea una onda longitudinal a través de la materia. Mira esto:4
Así es como se ve el sonido, pero imagina una onda de esferas en expansión haciendo eso. En esta animación, la onda sonora es generada por esa barra gris que vibra a la izquierda. La barra puede ser tus cuerdas vocales, una cuerda de guitarra o una cascada que cae continuamente en el río. Observando los puntos rojos, puedes ver que aunque la onda se mueve en una dirección, cada partícula individual sólo se mueve hacia adelante y hacia atrás, imitando la vibración de la barra gris.
Así que en lugar de una onda de serpiente curvada, el sonido es una onda de presión, que hace que cada trozo de aire esté a una presión superior a la normal o inferior a la normal. Así que cuando ves una ilustración en forma de serpiente de una onda sonora, se refiere a la medida de la presión, no a la trayectoria literal del movimiento de las partículas:5
Las ondas sonoras pueden atravesar el aire, que es como lo experimentamos normalmente. Pero también pueden atravesar la materia líquida2 o sólida: gran parte de las sacudidas que se producen durante un terremoto son el resultado de una enorme onda sonora que atraviesa la tierra (en ese caso, el movimiento de la falla sirve como barras grises y rojas en las animaciones anteriores).
¿Y la velocidad del sonido? Pues depende de la rapidez con la que se pueda mover la onda de presión en un medio determinado. Un medio más fluido, como el aire, es altamente compresible, por lo que la onda tarda más tiempo en moverse, mientras que el agua es mucho menos compresible, por lo que hay menos «cesión» para frenar la onda. Es como si dos personas sostuvieran un slinky extendido entre ellas: si una empuja su extremo hacia la otra persona, la ola tardará un poco en recorrer el slinky antes de que la otra persona lo sienta. Pero si las dos personas sostienen un palo de escoba, cuando una empuja, la otra lo siente inmediatamente, porque el palo de escoba es mucho menos comprimible.6
Así que tiene sentido que la velocidad del sonido en el aire (768 mph / 1.234 kmph en condiciones normales) sea unas cuatro veces más lenta que la velocidad del sonido en el agua, que a su vez es unas cuatro veces más lenta que la velocidad del sonido a través de un sólido como el hierro.
Volviendo a nosotros y al oído. Los oídos son una innovación evolutiva que nos permite registrar las ondas sonoras en el aire que nos rodea y procesarlas como información; sin oídos, la mayoría de las ondas sonoras serían imperceptibles para un ser humano y sólo los sonidos más fuertes se registrarían como una vibración en nuestra piel. Los oídos nos proporcionan una capacidad mágica para percibir incluso las ondas sonoras más leves de una forma tan matizada que suele decirnos exactamente de dónde procede el sonido y cuál es su significado. Y nos permite hablar. El tipo más importante de comunicación humana se produce cuando nuestros cerebros envían información a otros cerebros a través de complejos patrones de ondas de presión de aire. ¿Alguna vez te has parado a pensar en lo increíble que es eso?
Estaba a punto de seguir adelante, pero lo siento, no puedo superar esto. La próxima vez que estés hablando con alguien, quiero que te pares a pensar en lo que está pasando. Tu cerebro tiene un pensamiento. Traduce ese pensamiento en un patrón de ondas de presión. Entonces tus pulmones envían el aire fuera de tu cuerpo, pero mientras lo haces, haces vibrar tus cuerdas vocales de la forma adecuada y mueves tu boca y tu lengua en las formas adecuadas para que, cuando el aire salga de ti, esté incrustado con un patrón de áreas de alta y baja presión. El código de ese aire se extiende entonces a todo el aire de los alrededores, un poco del cual acaba en el oído de tu amigo, donde pasa por su tímpano. Cuando lo hace, hace vibrar su tímpano de tal manera que no sólo transmite el código, sino también el lugar exacto de la habitación del que procede y el tono de voz concreto con el que llegó. Las vibraciones del tímpano se transmiten a través de tres pequeños huesos y a un pequeño saco de líquido, que luego transmite la información en impulsos eléctricos y los envía por el nervio auditivo hasta el cerebro, donde se descodifica la información. Y todo esto ocurre en un octavo de segundo, sin ningún esfuerzo por parte de ninguno de los dos. Hablar es un milagro.
De todos modos-
El oído puede discernir muchas cualidades de un sonido que escucha, pero dos de las más fundamentales son el tono y la intensidad.
Tono
El tono depende de la longitud de onda, es decir, de la distancia entre las ondas de presión:7
Cuanto más corta sea la longitud de onda, más alto será el tono. Los seres humanos pueden oír frecuencias tan bajas como 20 Hz (que es una onda de 56 pies / 17 m de longitud) y tan altas como 20.000 Hz (.7 in / 1,7 cm). A medida que se envejece, se pierde la capacidad de oír los tonos más altos, por lo que la mayoría de ustedes probablemente no oigan nada cuando escuchen las frecuencias que se acercan a los 20.000 Hz (su perro no estará de acuerdo). Pero le resultará más fácil oír la parte más baja de la gama.8 La razón por la que puede sentir los sonidos bajos, como las notas graves de la música, es que la longitud de onda es tan larga que, en realidad, una onda completa tarda 1/20 de segundo en pasar por su cuerpo (de ahí los 20 Hz).34
Ruidos
La intensidad5 de un sonido que oímos está determinada por la amplitud de las ondas de presión. En la animación anterior, los sonidos agudos y graves representados tienen la misma sonoridad, porque las curvas de presión de la parte inferior de la animación tienen el mismo tamaño en sentido vertical. Los sonidos más fuertes tienen una mayor oscilación entre las secciones de baja y alta presión de la onda, es decir, los sonidos fuertes tienen partes de alta presión más altas y de baja presión más bajas que los sonidos silenciosos.
Para los sonidos a través del aire en la superficie de la Tierra, el promedio de las partes de alta y baja presión de la onda es nuestra presión atmosférica normal, lo que llamamos 1 «atmósfera» de presión. Por lo tanto, una onda sonora puede tener un componente de alta presión de 1,0001 atmósferas y un componente de baja presión de 0,9999 atmósferas, y un sonido más fuerte puede ser de 1,01/,99 en cambio, pero en ambos casos, el promedio de los dos es de 1 atmósfera.
A menudo medimos la sonoridad utilizando una unidad llamada decibelio (llamada así por Alexander Graham Bell). Si quieres confundirte, lee la página de Wikipedia sobre los decibelios. Es una unidad súper asquerosa. Y en lugar de aburrirnos a ambos explicándola, vamos a hablar de cómo usamos los decibelios para medir el sonido.
La escala de sonoridad tiene un mínimo muy pequeño. Los sonidos más débiles son mucho más suaves de lo que cualquier humano podría oír, incluso más suaves de lo que cualquiera de nuestros mejores instrumentos científicos podría detectar. Pero, dependiendo del lugar en el que te encuentres, el sonido tiene un máximo difícil de alcanzar. La razón es que el sonido no es una cosa en sí misma: es una onda de presión que se mueve a través de un medio. Y puesto que, como ya hemos dicho, la media de los puntos de alta y baja presión de una onda sonora tiene que ser la presión normal del medio, la sonoridad está limitada por el hecho de que, finalmente, el punto de baja presión llega a la presión cero: el vacío. Dado que la baja presión no puede bajar más, ese punto determina la amplitud máxima de una onda sonora y el mayor volumen que puede tener un sonido en un lugar determinado.
Lo conveniente de los decibelios (dB) es que el sonido más débil absoluto detectable por el oído humano es, por definición, 0 dB, lo que llamamos «el umbral de audición». Los científicos hacen todo lo posible para estudiar los sonidos en la escala de decibelios negativos y hay habitaciones artificiales en la Tierra que registran hasta -9,4 dB -donde es tan silencioso que se puede oír el bombeo de la sangre a través de su propio cerebro-, pero sólo podemos oír los sonidos en los dB positivos. El nivel más alto que puede alcanzar un sonido sostenido en la superficie de la Tierra es de 194 dB, es decir, cuando la amplitud de la onda sonora es tan intensa que la parte de baja presión es un vacío perfecto (la onda alterna entre el doble de la presión atmosférica normal y la ausencia total de aire, algo en lo que uno quiere estar presente). Echemos un vistazo a la escala completa, empezando por lo más silencioso.
Una cosa a tener en cuenta es que con los decibelios, cada aumento de 10 dB duplica la sonoridad. Así, 20 dB son el doble de fuertes que 10 dB, 30 dB son cuatro veces más fuertes que 10 dB y 80 dB son 128 veces más fuertes que 10 dB.69
La escala se detiene en 194 porque no existe un sonido más fuerte en la superficie de la Tierra. Pero podemos ir más allá de aquí de dos maneras:
1) Ondas de choque
Cuando se libera suficiente energía para pasar la marca de 194 dB, es demasiado para crear una onda de presión sostenida porque hemos tocado fondo en la baja presión, pero aún así ocurren cosas. Cosas muy, muy intensas.
A los 194 dB, hay una onda máxima que alterna entre el doble de la presión normal y un vacío total-pero una vez que llegamos a los 195 dB, la energía deja de moverse por el aire y empieza a empujar el aire hacia fuera con un vacío en expansión. Cuantos más dB por encima de 194 haya, mayor será el alcance y el impacto de esa burbuja de vacío. Se expande hacia fuera como una semiesfera que crece rápidamente:10
En el borde de la burbuja hay una barrera de gas supercomprimido, y cuando esta barrera barre la tierra, suele aplastar todo lo que está en su camino:11
A medida que la semiesfera se expande, pierde energía y finalmente se disipa. Pero si te encuentras en la trayectoria de una onda de choque antes de que eso ocurra, lo pasarás mal. Primero, el impacto de la barrera supercomprimida sería como chocar contra una pared de ladrillos (de la misma manera y por la misma razón que caer sobre el agua desde un puente es como caer sobre el hormigón). Segundo, el aire comprimido está caliente. Tercero, no sólo golpearía todas las partes de tu cuerpo, sino que lo atravesaría, y si fuera lo suficientemente potente podría convertir tus huesos en polvo y tus órganos en sopa.
Aquí tienes algunos eventos famosos de 194dB+:
El lanzamiento del Saturno V: El Saturno V era una bestia, y las ondas sonoras de sus lanzamientos eran tan intensas que podían incendiar la hierba a una milla de distancia. Incluso a tres millas de distancia, un observador experimentaría un sonido desgarrador de 135 dB.12 Los lanzamientos de cohetes crean un sonido tan potente, que las agencias espaciales inundan la plataforma de lanzamiento con agua mientras el cohete se lanza para absorber el sonido y que la fuerza de la onda de presión no dañe el cohete.
Las bombas de Hiroshima y Nagasaki: Según las fuentes que he leído, estas alcanzaron más de 200 dB. La onda expansiva estaba tan cargada que recorrió 11 km en 30 segundos.
La erupción del volcán Krakatoa en 1883:13 Estoy abrumado por la cantidad de cosas que tengo que contar sobre el Krakatoa. Hagamos balas.
- El Krakatoa es una isla de Indonesia, y la erupción ocurrió el 27 de agosto de 1883.
- La erupción aniquiló por completo la isla, enviando una enorme cantidad de escombros a 17 millas (27 km) de altura hacia el cielo a media milla por segundo. También provocó uno de los tsunamis más mortíferos y de mayor alcance de la historia. En total, la erupción mató a 36.000 personas.
- Pero lo más sorprendente de la erupción fue su sonido. Fue tan fuerte que la onda de choque se extendió lo suficiente como para romper los tímpanos de los marineros a 40 millas de distancia.
- A 100 millas de distancia, el sonido todavía era de 172 dB, suficiente para destruir permanentemente los oídos de alguien o incluso matarlo. Dondequiera que estés, piensa en un lugar que esté a unas 100 millas (161 km) de distancia. Ahora imagina que allí ocurre algo que provoca un sonido tan fuerte en el lugar en el que te encuentras que, si estuvieras gritando a pleno pulmón directamente en el oído de alguien cuando el sonido golpea, no podría oír que lo estás haciendo. Para comparar, el sonido del lanzamiento del Saturno V fue de 170 dB a 100 metros de distancia. El Krakatoa fue más alto que eso a 100 millas de distancia.
- El sonido agrietó un muro de hormigón de un pie de grosor a 300 millas (483 km) de distancia.
- El sonido se escuchó hasta en Australia (donde sonó como una bola de cañón lejana siendo disparada) e incluso tan lejos como la isla Rodrigues, a 3.000 millas de distancia. 3.000 millas de distancia. Actualmente estoy en Nueva York. Imagínate que pasara algo en California o en Europa que pudiera escuchar en Nueva York. Ni siquiera puedo.
- Después de que el sonido se alejara lo suficiente como para que los humanos no pudieran oírlo más, los barómetros de todo el mundo se volvieron locos durante los siguientes días, ya que las ondas sonoras dieron la vuelta a la Tierra 3,5 veces.
- Por último, ¿conoces el famoso cuadro El Grito? Bueno, ¿sabes que el cielo es rojo por alguna razón? El cielo es rojo porque el pintor, Edvard Munch, se inspiró para pintarlo después de ver los cielos rojos causados por el Krakatoa en todo el hemisferio occidental en el año posterior a la erupción.
Fue una gran erupción.
2) Otros medios
Puede haber un sonido más fuerte que 194 dB-sólo que no en la superficie de la Tierra. Puede haber sonidos más fuertes en el océano, en la tierra o en otros planetas. Los gigantes gaseosos de nuestro Sistema Solar, por ejemplo, tienen atmósferas más densas que la de la Tierra, lo que permite mayores amplitudes de ondas de presión, y con vientos increíblemente rápidos y poderosas tormentas, hay muchas oportunidades allí para hacer cosas ruidosas.
Lo que no es ruidoso es casi todo lo demás en el espacio. Probablemente has escuchado el término, «El sonido no viaja en el vacío», pero ahora tiene sentido, ¿verdad? El sonido son ondas de presión a través de la materia. Si no hay materia, no hay sonido. Puede haber un calor inmenso, y radiación, y fuerza, pero para un humano observador cercano, todo es un silencio absoluto.
Si, hipotéticamente, hubiera aire llenando el universo, entonces de repente las cosas se pondrían muy ruidosas. Olvídese del aterrador concepto del sonido de una supernova: sólo el tonto sol sentado ahí colgado sonaría a unos asombrosos 290 dB. Según un físico solar, en la Tierra lo escucharíamos como un sonido de 100 dB -el volumen de una motocicleta- todo el tiempo, todos los días, en todas partes. Alégrate de que el sonido no viaja en el vacío.
Una última reflexión-
Investigar para este post y aprender sobre lo que es el sonido me ha dado una nueva perspectiva sobre el árbol que cae en el bosque sin que nadie esté allí para oír su pregunta. Ahora pienso que no, no hace un sonido. Hace una onda de presión de aire y ya está. El concepto de sonido es, por definición, la percepción de la onda de presión por parte de un ser biológico, y si no hay oídos para percibir la onda de presión, no hay sonido. Es un poco como preguntar: «Si los humanos se extinguen, y en algún lugar de los escombros postapocalípticos, hay una foto de una hermosa mujer tendida, ¿sigue siendo hermosa?». No creo que lo sea. Porque lo único bello de ella es que los humanos la encontraron bella, y sin los humanos, no es más bella que la hembra del escarabajo que está a unos metros, hurgando entre los escombros. ¿Verdad?
___________
Tres cosas que quiero que leas:
Si te gusta Wait But Why, suscríbete a la lista de correo electrónico de Wait But Why y te enviaremos los nuevos posts justo cuando salgan. Si quieres apoyar a Wait But Why, aquí está nuestro Patreon.
Y la serie completa de posts de Elon Musk ya está disponible como ebook.
___________
Si te ha gustado esto, aquí tienes más explicaciones de Wait But Why:
Cómo Tesla cambiará el mundo
La revolución de la IA: El camino hacia la superinteligencia
Poniendo el tiempo en perspectiva
Fuentes
Los impresionantes GIFS: Dan Russell e ISVR
CDC: Ruido y prevención de la pérdida de audición
Departamento de Trabajo de los Estados Unidos: Exposición al ruido en el trabajo
Nautil.us: El sonido tan fuerte que dio cuatro vueltas a la Tierra
UNSW: ¿Qué es un decibelio?
Decibelcar.com: Tabla de Decibelios Equivalentes
Hazlo más fuerte: Tabla de decibelios del nivel de presión sonora definitivo
NASA: Sound Suppression Test Unleashes a Flood
Idiom Zero: How Loud is the Sun?
Gibson.com: It Might Get Loud: Las 10 bandas de rock más ruidosas de todos los tiempos
GC Audio: Tabla comparativa de decibelios (sonoridad)
Mathpages.com: La velocidad del sonido
Gira a la izquierda: Niveles de ruido
Extreme Tech: ¿Puede matarte un sonido lo suficientemente alto?
Abelard.com: La música alta y los daños auditivos
Vaca insonorizada: El sonido más fuerte jamás escuchado
Chalmers: El micrófono cuántico capta un sonido extremadamente débil
born.gov.au: La erupción del Krakatoa, 27 de agosto de 1883