Questo post fa parte della Mini Week, dove sto pubblicando un nuovo mini post ma non proprio mini come risulta ogni giorno della settimana.
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Sono sempre stato un po’ confuso sul suono. Quindi, per il “mini” post del martedì, ho deciso di fare qualcosa al riguardo.
Pensiamo al suono come a qualcosa che sentiamo, qualcosa che fa rumore. Ma in termini di fisica pura, il suono è solo una vibrazione che attraversa la materia.
Il modo in cui una vibrazione “attraversa” la materia è sotto forma di onda sonora. Quando pensi alle onde sonore, probabilmente pensi a qualcosa come questo:1
Ma non è così che funzionano le onde sonore. Un’onda del genere si chiama onda trasversale, dove ogni singola particella si muove su e giù per creare una situazione a serpente.
Un’onda sonora è più simile a una situazione da lombrico:2
Come un lombrico, il suono si muove comprimendosi e decomprimendosi. Questo si chiama onda longitudinale. Una molla può fare entrambi i tipi di onde:13
Il suono inizia con una vibrazione di qualche tipo che crea un’onda longitudinale attraverso la materia. Guarda questo:4
Questo è l’aspetto del suono, ma immagina un’increspatura in espansione di sfere che fa così. In questa animazione, l’onda sonora è generata da quella barra grigia vibrante sulla sinistra. La barra potrebbe essere le tue corde vocali, una corda di chitarra, o una cascata che scende continuamente nel fiume sottostante. Guardando i punti rossi, puoi vedere che anche se l’onda si muove in una direzione, ogni singola particella si muove solo avanti e indietro, imitando la vibrazione della barra grigia.
Quindi, invece di un’onda serpeggiante, il suono è un’onda di pressione, che fa sì che ogni pezzo d’aria sia a una pressione superiore al normale o inferiore al normale. Quindi, quando vedi un’illustrazione a forma di serpente di un’onda sonora, si riferisce alla misura della pressione, non al percorso letterale del movimento delle particelle:5
Le onde sonore possono passare attraverso l’aria, che è il modo in cui le sperimentiamo normalmente. Ma possono anche passare attraverso la materia liquida2 o solida – gran parte delle scosse che avvengono durante un terremoto sono il risultato di un’enorme onda sonora che sfreccia attraverso la terra (in questo caso, il movimento della faglia serve come le barre grigie e rosse nelle animazioni qui sopra).
Come la velocità del suono? Beh, dipende da quanto velocemente l’onda di pressione può muoversi in un dato mezzo. Un mezzo più fluido, come l’aria, è altamente comprimibile, quindi l’onda impiega più tempo a muoversi, mentre l’acqua è molto meno comprimibile, quindi c’è meno “elasticità” per rallentare l’onda. È come se due persone tenessero tra loro una molla tesa: se uno spinge la sua estremità verso l’altro, l’onda impiegherà un po’ di tempo a viaggiare lungo la molla prima che l’altra persona la senta. Ma se le due persone hanno in mano un manico di scopa, quando uno spinge, l’altro lo sente immediatamente, perché il manico di scopa è molto meno comprimibile.6
Quindi ha senso che la velocità del suono nell’aria (768 mph / 1,234 kmph in condizioni normali) sia circa quattro volte più lenta della velocità del suono nell’acqua, che a sua volta è circa quattro volte più lenta della velocità del suono attraverso un solido come il ferro.
Torniamo a noi e all’udito. Le orecchie sono un’innovazione evolutiva che ci permette di registrare le onde sonore nell’aria intorno a noi e di elaborarle come informazioni – senza le orecchie, la maggior parte delle onde sonore sarebbe impercettibile per un uomo, con solo i suoni più forti che si registrano come una vibrazione percepita sulla nostra pelle. Le orecchie ci danno la magica capacità di percepire anche lievi onde sonore in un modo così sfumato che di solito può dirci esattamente da dove viene il suono e qual è il suo significato. E ci permette di parlare. Il tipo più importante di comunicazione umana avviene quando il nostro cervello invia informazioni ad altri cervelli attraverso complessi modelli di onde di pressione dell’aria. Vi siete mai fermati a pensare a quanto sia incredibile?
Stavo per andare avanti, ma scusate, non riesco a superare questo. La prossima volta che stai parlando con qualcuno, voglio che ti fermi a pensare a quello che sta succedendo. Il tuo cervello ha un pensiero. Traduce quel pensiero in un modello di onde di pressione. Poi i tuoi polmoni mandano l’aria fuori dal tuo corpo, ma mentre lo fai, fai vibrare le tue corde vocali nel modo giusto e muovi la bocca e la lingua nelle forme giuste, in modo che quando l’aria ti lascia, è incorporata in un modello di aree ad alta e bassa pressione. Il codice in quell’aria si diffonde poi a tutta l’aria nelle vicinanze, una piccola parte della quale finisce nell’orecchio del tuo amico, dove passa dal timpano. Quando lo fa, vibra il timpano in modo tale da trasmettere non solo il codice, ma esattamente da dove proviene nella stanza e il particolare tono di voce con cui è arrivato. Le vibrazioni del timpano sono trasmesse attraverso tre piccole ossa e in una piccola sacca di liquido, che poi trasmette le informazioni in impulsi elettrici e li invia su per il nervo uditivo e nel cervello, dove le informazioni vengono decodificate. E tutto questo avviene in un ottavo di secondo, senza alcuno sforzo da parte di entrambi. Parlare è un miracolo.
Comunque-
L’orecchio può discernere molte qualità di un suono che sente, ma due delle più fondamentali sono l’altezza e il volume.
Pitch
Pitch è tutta una questione di lunghezza d’onda, cioè quanto distanti sono le onde di pressione:7
Più corta è la lunghezza d’onda, più alto è il pitch. Gli esseri umani possono sentire frequenze basse come 20 Hz (che è un’onda lunga 56 piedi /17 m) e alte come 20.000 Hz (.7 in / 1,7 cm). Con l’età, si perde la capacità di sentire le alte frequenze, quindi la maggior parte di voi probabilmente non sente nulla quando ascolta le frequenze che si avvicinano ai 20.000 Hz (il vostro cane non sarà d’accordo). Ma sarà più facile sentire la parte più bassa della gamma.8 La ragione per cui si possono sentire i suoni bassi, come le note basse della musica, è che la lunghezza d’onda è così lunga che ci vuole 1/20 di secondo perché un’onda completa passi attraverso il corpo (quindi 20 Hz).34
Loudness
La loudness5 di un suono che sentiamo è determinata dall’ampiezza delle onde di pressione. Nell’animazione qui sopra, i suoni alti e bassi rappresentati hanno la stessa intensità, perché le curve di pressione nella parte inferiore dell’animazione hanno la stessa dimensione in verticale. I suoni più forti hanno un’oscillazione più grande tra le sezioni di bassa e alta pressione dell’onda – cioè i suoni forti hanno parti di alta pressione più alte e parti di bassa pressione più basse rispetto ai suoni tranquilli.
Per i suoni attraverso l’aria sulla superficie terrestre, la media delle parti di alta e bassa pressione dell’onda è la nostra normale pressione atmosferica – ciò che noi chiamiamo 1 “atmosfera” di pressione. Così un’onda sonora potrebbe avere una componente di alta pressione di 1.0001 atmosfere e una componente di bassa pressione di .9999 atmosfere, e un suono più forte potrebbe essere invece 1.01/.99 – ma in entrambi i casi, la media delle due è 1 atmosfera.
Spesso misuriamo la loudness usando un’unità chiamata decibel (dal nome di Alexander Graham Bell). Se vuoi essere confuso, leggi la pagina di Wikipedia sui decibel. È un’unità di misura super schifosa. E piuttosto che annoiarci entrambi spiegandolo, parliamo solo di come usiamo i decibel per misurare il suono.
La scala di loudness ha un minimo molto piccolo. I suoni più deboli sono molto più morbidi di quanto un essere umano possa sentire, persino più morbidi di quanto i nostri migliori strumenti scientifici possano rilevare. Ma a seconda di dove ci si trova, il suono ha un duro massimo. La ragione è che il suono non è una cosa in sé – è un’onda di pressione che si muove attraverso un mezzo. E poiché, come abbiamo detto, la media dei punti di alta e bassa pressione di un’onda sonora deve essere la pressione normale del mezzo, l’intensità è limitata dal fatto che alla fine il punto di bassa pressione raggiunge la pressione zero, il vuoto. Poiché la bassa pressione non può scendere più in basso, quel punto determina l’ampiezza massima di un’onda sonora, e il massimo rumore che un suono può essere, in un dato luogo.
La cosa conveniente dei decibel (dB) è che il suono più debole in assoluto rilevabile dall’orecchio umano è, per definizione, 0 dB – noi lo chiamiamo “la soglia dell’udito”. Gli scienziati fanno del loro meglio per studiare i suoni molto più in basso nella scala negativa dei decibel e ci sono stanze create dall’uomo sulla Terra che registrano fino a -9,4 dB – dove è così tranquillo che puoi sentire il sangue che pompa nel tuo cervello – ma noi possiamo sentire solo i suoni in dB positivi. Il massimo rumore che un suono sostenuto può essere sulla superficie terrestre è di 194 dB, cioè quando l’ampiezza dell’onda sonora è così intensa che la parte a bassa pressione è un vuoto perfetto (l’onda si alterna tra il doppio della normale pressione atmosferica e l’assenza di aria, non qualcosa per cui si vuole essere presenti). Diamo un’occhiata a tutta la scala, iniziando con il molto tranquillo.
Una cosa da tenere a mente è che con i decibel, ogni aumento di 10 dB raddoppia il volume. Quindi 20 dB è il doppio di 10 dB, 30 dB è quattro volte più forte di 10 dB, e 80 dB è 128 volte più forte di 10 dB.69
La scala si ferma a 194 perché non esiste un suono più forte sulla superficie della Terra. Ma possiamo andare oltre in due modi:
1) Onde d’urto
Quando viene rilasciata abbastanza energia per superare i 194 dB, è troppa per creare un’onda di pressione sostenuta perché abbiamo toccato il fondo della bassa pressione, ma le cose accadono comunque. Cose molto, molto intense.
A 194 dB, c’è un’onda massima che si alterna tra il doppio della pressione normale e un vuoto totale-ma una volta che arriviamo a 195 dB, l’energia smette di muoversi nell’aria e inizia a spingere l’aria verso l’esterno con un vuoto in espansione. Più dBs sopra 194 ci sono, più la bolla di vuoto sarà estesa e di maggiore impatto. Si espande verso l’esterno come una semisfera che cresce rapidamente:10
Sul bordo della bolla c’è una barriera di gas supercompresso, e quando questa barriera spazza la terra, di solito appiattisce qualsiasi cosa si trovi sul suo cammino:11
Come la semisfera si espande, perde energia e infine si dissipa. Ma se vi trovaste sulla traiettoria di un’onda d’urto prima che questo accada, ve la passereste male. Primo, l’impatto della barriera supercompressa sarebbe come colpire un muro di mattoni (nello stesso modo e per la stessa ragione per cui cadere sull’acqua da un ponte è come cadere sul cemento). Secondo, l’aria compressa è calda. Terzo, non colpirebbe solo tutte le parti del tuo corpo, passerebbe attraverso il tuo corpo, e se fosse abbastanza potente potrebbe trasformare le tue ossa in polvere e i tuoi organi in zuppa.
Ecco alcuni famosi eventi da 194dB+:
Lancio del Saturno V: Il Saturno V era una bestia, e le onde sonore dei suoi lanci erano così intense che potevano incendiare l’erba a un miglio di distanza. Anche a tre miglia di distanza, un osservatore sperimenterebbe un suono di 135 dB.12 I lanci dei razzi creano un suono così potente che le agenzie spaziali inondano la piattaforma di lancio con acqua quando il razzo viene lanciato per assorbire il suono in modo che la forza dell’onda di pressione non danneggi il razzo.
Le bombe di Hiroshima e Nagasaki: Secondo le fonti che ho letto, queste hanno raggiunto ben oltre i 200 dB. L’onda d’urto era così carica che ha percorso 7 mi / 11 km in 30 secondi.
L’eruzione del vulcano Krakatoa del 1883:13 Sono sopraffatto dalla quantità di cose che devo dirti sul Krakatoa. Facciamo le pallottole.
- Il Krakatoa è un’isola in Indonesia, e l’eruzione è avvenuta il 27 agosto 1883.
- L’eruzione ha completamente annientato l’isola, inviando un’enorme quantità di detriti a 27 km di altezza nel cielo a mezzo miglio al secondo. Ha anche causato uno degli tsunami più mortali e di vasta portata della storia. In totale, l’eruzione ha ucciso 36.000 persone.
- Ma la cosa più sorprendente dell’eruzione è stato il suo suono. Ha fatto probabilmente il suono più forte sulla Terra nella storia moderna.
- Era così forte che l’onda d’urto si è estesa abbastanza lontano da rompere i timpani dei marinai a 40 miglia di distanza.
- A 100 miglia di distanza, il suono era ancora 172 dB, abbastanza per distruggere permanentemente le orecchie di qualcuno o addirittura ucciderlo. Ovunque voi siate, pensate a un posto che sia a circa 100 miglia (161 km) di distanza. Ora immagina che lì accada qualcosa che provoca un suono così forte dove sei tu, che se tu stessi urlando a squarciagola direttamente nell’orecchio di qualcuno quando il suono colpisce, non sarebbe in grado di sentire che lo stai facendo. Per fare un confronto, il suono del lancio del Saturn V era a 170 dB a 100 metri di distanza. Krakatoa era più alto di quello a 100 miglia di distanza.
- Il suono ha incrinato un muro di cemento spesso 30 centimetri a 300 miglia (483 km) di distanza.
- Il suono è stato sentito fino in Australia (dove sembrava una palla di cannone sparata lontano) e persino fino all’isola Rodrigues, a 3.000 miglia di distanza. 3.000 miglia di distanza. Attualmente mi trovo a New York. Immaginate se succedesse qualcosa in California o in Europa che potrei sentire a New York. Non posso nemmeno.
- Dopo che il suono alla fine è arrivato abbastanza lontano che gli esseri umani non potevano più sentirlo, i barometri di tutto il mondo sono impazziti per i giorni successivi, mentre le onde sonore giravano intorno alla Terra 3,5 volte.
- Infine, conosci il famoso dipinto L’urlo? Beh avete presente che il cielo è tutto rosso per qualche motivo? Il cielo è rosso perché il pittore, Edvard Munch, fu ispirato a dipingerlo dopo aver visto i cieli rossi causati dal Krakatoa in tutto l’emisfero occidentale nell’anno successivo all’eruzione.
È stata una grande eruzione.
2) Altri mezzi
Ci possono essere suoni più forti di 194 dB- solo non sulla superficie della Terra. Ci possono essere suoni più forti nell’oceano, nella terra o su altri pianeti. I giganti gassosi del nostro sistema solare, per esempio, hanno atmosfere più dense di quelle terrestri, che consentono ampiezze d’onda di pressione più elevate, e con venti incredibilmente veloci e tempeste potenti, lì c’è un sacco di opportunità per fare rumore.
Quello che non è forte è quasi tutto il resto nello spazio. Probabilmente hai sentito l’espressione “Il suono non viaggia nel vuoto”, ma ora ha senso, vero? Il suono è un’onda di pressione attraverso la materia. Se non c’è materia, non c’è suono. Ci può essere immenso calore, e radiazioni, e forza, ma per un umano che osserva nelle vicinanze, è tutto silenzioso.
Se, ipoteticamente, ci fosse aria a riempire l’universo, allora improvvisamente le cose diventerebbero molto rumorose. Dimenticate il terrificante concetto del suono di una supernova: solo il muto sole che se ne sta lì a ciondolare risuonerebbe ad uno sbalorditivo 290 dB. Secondo un fisico solare, lo sentiremmo sulla Terra come un suono di 100 dB – il volume di una moto – sempre, ogni giorno, ovunque. Sii felice che il suono non viaggia nel vuoto.
Un ultimo pensiero-
Ricercare per questo post e imparare cos’è il suono mi ha dato una nuova prospettiva sull’albero che cade nella foresta con nessuno lì a sentire la domanda. Ora penso che no, non fa un suono. Fa un’onda di pressione dell’aria e basta. Il concetto di suono è per definizione la percezione dell’onda di pressione da parte di un essere biologico, e se non ci sono orecchie in giro per percepire l’onda di pressione, non c’è suono. È un po’ come chiedere: “Se gli umani si estinguono, e da qualche parte tra le macerie post-apocalittiche, c’è la foto di una bella donna che giace lì – è ancora bella? Non credo proprio che lo sia. Perché l’unica cosa bella di lei è che gli umani l’hanno trovata bella, e senza umani, non è più bella dello scarafaggio femmina a qualche metro di distanza, che rovista tra le macerie. Giusto?
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Fonti
Le fantastiche GIFS: Dan Russell e ISVR
CDC: Prevenzione del rumore e della perdita dell’udito
Dipartimento USA del lavoro: Esposizione al rumore professionale
Nautil.us: Il suono così forte che ha fatto il giro della terra quattro volte
UNSW: Cos’è un decibel?
Decibelcar.com: Tabella Decibel Equivalente
Make it Louder: Ultima tabella decibel del livello di pressione sonora
NASA: Sound Suppression Test scatena un diluvio
Idioma Zero: Quanto è forte il sole?
Gibson.com: Potrebbe diventare forte: Le 10 band rock più rumorose di tutti i tempi
GC Audio: Grafico di confronto dei decibel (loudness)
Mathpages.com: La velocità del suono
Turn it to the Left: Livelli di rumore
Extreme Tech: Può un suono abbastanza forte ucciderti?
Abelard.com: Musica forte e danni all’udito
Mucca a prova di suono: Il suono più forte mai sentito
Chalmers: Microfono quantico cattura un suono estremamente debole
born.gov.au: L’eruzione del Krakatoa, 27 agosto 1883
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