Este post faz parte da Mini Semana, onde estou postando um novo mini post mas não mini como acontece todos os dias da semana desta semana.
___________
Eu sempre estive um pouco confuso sobre som. Então para o “mini” post de “terça-feira”, eu decidi fazer algo sobre isso.
Pensamos no som como algo que ouvimos – algo que faz barulho. Mas em termos de física pura, o som é apenas uma vibração que atravessa a matéria.
A forma como uma vibração “atravessa” a matéria é na forma de uma onda sonora. Quando você pensa em ondas sonoras, você provavelmente pensa em algo assim:1
Mas não é assim que as ondas sonoras funcionam. Uma onda como essa é chamada de onda transversal, onde cada partícula individual se move para cima e para baixo para criar uma situação de cobra.
>
Uma onda sonora é mais como uma situação de minhoca:2
>
>
Como uma minhoca, o som se move comprimindo e descomprimindo. Isto é chamado de onda longitudinal. Um slinky pode fazer ambos os tipos de ondas:13
Som começa com uma vibração de algum tipo criando uma onda longitudinal através da matéria. Veja isto:4
É o que parece o som – excepto a imagem de uma ondulação em expansão de esferas a fazer isso. Nesta animação, a onda sonora está sendo gerada por aquela barra cinza vibrante à esquerda. A barra pode ser as suas cordas vocais, uma corda de guitarra ou uma cascata continuamente a bater no rio abaixo. Ao olhar para os pontos vermelhos, você pode ver que mesmo que a onda se mova em uma direção, cada partícula individual só se move para frente e para trás, imitando a vibração da barra cinza.
Então, ao invés de uma onda de cobra curvada, o som é uma onda de pressão, que faz com que cada pedaço do ar esteja a uma pressão maior que a normal ou menor que a normal. Assim, quando você vê uma ilustração semelhante a uma serpente de uma onda sonora, ela se refere à medida da pressão, não ao caminho literal do movimento das partículas:5
>
>
>
Ondas sonoras podem atravessar o ar, que é como normalmente o experimentamos. Mas também pode atravessar matéria líquida2 ou sólida – o abalo que acontece durante um terremoto é o resultado de uma enorme onda sonora que zunge através da terra (nesse caso, o movimento da falha está servindo como as barras cinza e vermelha nas animações acima).
Como sobre a velocidade do som? Bem, depende de quão rapidamente a onda de pressão pode se mover em um determinado meio. Um meio que é mais fluido, como o ar, é altamente compressivo, então leva mais tempo para a onda se mover, enquanto a água é muito menos compressiva, então há menos “dar” para diminuir a velocidade da onda. É como se duas pessoas segurassem um slinky esticado entre elas – se uma empurrar a ponta para a outra pessoa, a onda levará um pouco de tempo para descer o slinky antes que a outra pessoa o sinta. Mas se as duas pessoas estiverem segurando uma vassoura, quando uma empurra, a outra a sente imediatamente, porque a vassoura é muito menos compressível.6
Então faz sentido que a velocidade do som no ar (768 mph / 1.234 kmph em condições normais) seja cerca de quatro vezes mais lenta do que a velocidade do som na água, que por si só é cerca de quatro vezes mais lenta do que a velocidade do som através de um sólido como o ferro.
Voltar para nós e ouvir. As orelhas são uma inovação evolutiva que nos permite registar ondas sonoras no ar à nossa volta e processá-las como informação – sem os ouvidos, a maioria das ondas sonoras seriam imperceptíveis a um humano com apenas os sons mais altos a registarem-se como uma vibração de feltro na nossa pele. As orelhas nos dão uma habilidade mágica de sentir até mesmo ondas sonoras leves de uma forma tão matizada, que normalmente pode nos dizer exatamente de onde o som está vindo e qual é o significado dele. E permite-nos falar. O tipo mais importante de comunicação humana acontece quando o nosso cérebro envia informações para outros cérebros através de padrões complexos de ondas de pressão de ar. Você já parou e pensou como isso é incrível?
Ia seguir em frente, mas desculpe, eu não consigo superar isso. Da próxima vez que você estiver falando com alguém, quero que você pare e pense no que está acontecendo. O teu cérebro tem uma ideia. Traduz esse pensamento em um padrão de ondas de pressão. Depois os teus pulmões enviam ar para fora do teu corpo, mas quando fazes isso, vibras as tuas cordas vocais da maneira correcta e moves a tua boca e a tua língua para as formas correctas que, quando o ar te deixa, está embutido com um padrão de áreas de alta e baixa pressão. O código nesse ar então se espalha por todo o ar da vizinhança, um pouco do qual acaba no ouvido do seu amigo, onde ele passa pelo tímpano deles. Quando o faz, ele vibra o tímpano de modo a passar não só o código, mas exatamente de onde ele veio e o tom de voz particular com que ele veio. As vibrações do tímpano são transmitidas através de três pequenos ossos e para um pequeno saco de líquido, que depois transmite a informação em impulsos elétricos e os envia para o nervo auditivo e para o cérebro, onde a informação é decodificada. E tudo isso acontece em um oitavo de segundo, sem nenhum esforço de nenhum de vocês. Falar é um milagre.
Anyway-
O ouvido pode discernir muitas qualidades de um som que ouve, mas duas das mais fundamentais são o tom e a sonoridade.
>
Lanço
Lanço é tudo sobre o comprimento de onda – isto é, a distância entre as ondas de pressão:7
>
>
Quanto mais curto o comprimento de onda, mais alto o tom. Os humanos podem ouvir frequências tão baixas quanto 20 Hz (que é uma onda de 56 pés / 17 m de comprimento) e tão altas quanto 20.000 Hz (.7 in / 1.7 cm). Conforme você envelhece, você perde sua habilidade de ouvir os tons mais altos, então a maioria de vocês provavelmente não ouvem nada quando ouvem as freqüências se aproximando de 20.000 Hz (seu cão irá discordar). Mas você terá mais facilidade em ouvir a parte mais baixa da faixa.8 A razão pela qual você pode sentir sons baixos, como notas de baixo na música, é que o comprimento de onda é tão longo que realmente leva 1/20 de segundo para uma onda completa passar seu corpo (daí 20 Hz).34
Loudness
The loudness5 of a sound we hear is determined by the amplitude of the pressure waves. Na animação acima, os sons agudos e graves representados têm a mesma sonoridade, pois as curvas de pressão na parte inferior da animação têm o mesmo tamanho na vertical. Sons mais altos têm uma oscilação maior entre as seções de baixa e alta pressão da onda – ou seja, sons altos têm partes de alta e baixa pressão mais altas do que sons silenciosos.
Para sons através do ar na superfície da Terra, a média das partes de alta e baixa pressão da onda é a nossa pressão atmosférica normal – o que chamamos de 1 “atmosfera” de pressão. Então uma onda sonora pode ter uma componente de alta pressão de 1.0001 atmosferas e uma componente de baixa pressão de .9999 atmosferas, e um som mais alto pode ser 1.01/.99 em vez disso – mas em ambos os casos, a média das duas é 1 atmosfera.
Mosgamos frequentemente a sonoridade usando uma unidade chamada decibel (nome em homenagem a Alexander Graham Bell). Se você quiser ficar confuso, leia a página da Wikipédia em decibéis. É uma unidade super icky. E ao invés de nos aborrecer aos dois explicando isso, vamos apenas falar sobre como usamos decibéis para medir o som.
A escala da sonoridade tem um mínimo muito pequeno. Os sons mais fracos são muito mais suaves do que qualquer humano poderia ouvir – ainda mais suaves do que qualquer um dos nossos melhores instrumentos científicos poderia detectar. Mas dependendo de onde você estiver, o som tem um máximo difícil. A razão é que o som não é uma coisa em si mesmo – é uma onda de pressão que se move através de um meio. E como, como falamos, a média dos pontos de alta e baixa pressão de uma onda sonora tem que ser a pressão normal do meio, a sonoridade é limitada pelo fato de que, eventualmente, o ponto de baixa pressão atinge a pressão zero – um vácuo. Como a baixa pressão não pode descer mais, esse ponto determina a amplitude máxima de uma onda sonora, e o som mais alto pode ser, em qualquer lugar.
O conveniente sobre decibéis (dB) é que o som mais fraco absoluto detectável ao ouvido humano é, por definição, 0 dB- chamamos isso de “limiar da audição”. Os cientistas fazem o seu melhor para estudar sons muito abaixo da escala de decibéis negativos e há salas feitas pelo homem na Terra que registram tão baixo quanto -9,4 dB – onde é tão silencioso que você pode ouvir o sangue bombeando através do seu próprio cérebro – mas só podemos ouvir sons nos dB positivos. O som mais alto que um som sustentado pode ser na superfície da Terra é 194 dB – o que é quando a amplitude da onda sonora é tão intensa que a parte de baixa pressão é um vácuo perfeito (a onda alterna entre o dobro da pressão atmosférica normal e nenhum ar – não é algo pelo qual você queira estar presente). Vamos dar uma olhada na escala completa, começando com o realmente silencioso.
Uma coisa a ter em mente é que com decibéis, cada aumento de 10 dB duplica a sonoridade. Assim 20 dB é duas vezes mais alto que 10 dB, 30 dB é quatro vezes mais alto que 10 dB e 80 dB é 128 vezes mais alto que 10 dB.69
A escala pára em 194 porque não existe um som mais alto na superfície da Terra. Mas podemos ir além daqui de duas maneiras:
1) Ondas de Choque
Quando a energia suficiente é liberada para passar a marca de 194 dB, é demais para criar uma onda de pressão sustentada, porque nós chegamos ao fundo em baixa pressão – mas as coisas ainda acontecem. Coisas muito, muito intensas.
A 194 dB, há uma onda máxima de saída alternando entre o dobro da pressão normal e um vácuo total – mas uma vez que chegamos a 195 dB, a energia pára de se mover através do ar e começa a empurrar o ar para fora com um vácuo em expansão. Quanto mais dBs acima de 194, mais longe e com maior impacto a bolha de vácuo será. Ela se expande para fora como uma meia esfera de rápido crescimento:10
>
>
Na borda da bolha está uma barreira de gás super-comprimido, e quando esta barreira varre a terra, normalmente aplana o que quer que esteja em seu caminho:11
>
>
>
>
À medida que o hemisfério se expande, ela perde energia e eventualmente se dissipa. Mas se você se encontrasse no caminho de uma onda de choque antes que isso acontecesse, você teria um mau momento. Primeiro, o impacto da barreira super-comprimida seria como bater numa parede de tijolo (da mesma forma e pela mesma razão cair na água de uma ponte é como cair no concreto). Segundo, o ar comprimido é quente. Terceiro, ele não atingiria apenas todas as partes do seu corpo, ele atravessaria seu corpo, e se fosse poderoso o suficiente, ele poderia transformar seus ossos em pó e seus órgãos em sopa.
Aqui estão alguns eventos famosos de 194dB+:
Saturn V lançamento: O Saturno V era uma besta, e as ondas sonoras dos seus lançamentos eram tão intensas que podiam pegar fogo à relva a uma milha de distância. Mesmo a três milhas de distância, um observador experimentaria um som de 135 dB de divisão dos ouvidos.12 Os lançamentos de foguetes criam um som tão poderoso, que as agências espaciais inundam a plataforma de lançamento com água como os lançamentos de foguetes para absorver o som para que a força da onda de pressão não danifique o foguetão.
As bombas de Hiroshima e Nagasaki: De acordo com as fontes que li, estas atingiram bem mais de 200 dB. A onda de choque estava tão carregada que viajou 7 mi / 11 km em 30 segundos.
A erupção do vulcão Krakatoa de 1883:13 Estou impressionado com a quantidade de coisas que preciso contar sobre o Krakatoa. Vamos fazer balas.
- Krakatoa é uma ilha na Indonésia, e a erupção aconteceu em 27 de Agosto de 1883.
- A erupção aniquilou completamente a ilha, enviando uma enorme quantidade de destroços a 27 km de altura para o céu a meia milha por segundo. Também causou um dos tsunamis mais mortíferos e de maior alcance da história. No total, a erupção matou 36.000 pessoas.
- Mas o mais incrível sobre a erupção foi o seu som. Ele fez sem dúvida o som mais alto da Terra na história moderna.
- Era tão alto que a onda de choque se estendeu o suficiente para romper os tímpanos dos marinheiros a 40 milhas de distância.
- 100 milhas de distância, o som ainda era 172 dB, o suficiente para destruir permanentemente os ouvidos de alguém ou mesmo matá-lo. Onde quer que você esteja, pense em um lugar a cerca de 100 milhas (161 km) de distância. Agora imagine algo acontecendo lá que causa um som tão alto onde você está que se você estivesse gritando no topo dos seus pulmões diretamente no ouvido de alguém quando o som bateu, eles não seriam capazes de ouvir que você estava fazendo isso. Para comparação, o som de lançamento do Saturn V estava a 170 dB a 100 metros de distância. O Krakatoa estava a mais de 100 milhas de distância.
- O som rachou uma parede de betão com um pé de espessura a 300 milhas (483 km).
- O som foi ouvido na Austrália (onde soou como uma bola de canhão distante a ser disparada) e mesmo tão longe como a ilha Rodrigues, a 3.000 milhas de distância. A 3.000 milhas de distância. Estou actualmente em Nova Iorque. Imagine se acontecesse algo na Califórnia ou na Europa que eu pudesse ouvir em Nova Iorque. Nem sequer consigo.
- Após o som ter acabado por se afastar o suficiente para os humanos não o conseguirem ouvir mais, os barómetros por todo o mundo ficaram loucos nos dias seguintes, pois as ondas sonoras circulavam a Terra 3,5 vezes.
- Finalmente, conheces o famoso quadro The Scream? Bem, sabes como o céu está todo vermelho por alguma razão? O céu está vermelho porque o pintor, Edvard Munch, foi inspirado a pintá-lo depois de ver os céus vermelhos causados pelos Krakatoas em todo o hemisfério ocidental no ano seguinte à erupção.
Foi uma grande erupção.
2) Outros Médiuns
Pode haver um som mais alto do que 194 dB – só que não na superfície da Terra. Pode haver sons mais altos no oceano, na terra, ou em outros planetas. Os gigantes de gás no nosso Sistema Solar, por exemplo, têm atmosferas mais densas do que as da Terra, que permitem amplitudes de onda de pressão mais elevadas, e com ventos incrivelmente rápidos e tempestades poderosas, há lá muitas oportunidades para fazer coisas mais barulhentas.
O que não é barulhento é quase tudo o resto no espaço. Você provavelmente já ouviu o termo, “O som não viaja no vácuo”, mas agora faz sentido, certo? O som são ondas de pressão através da matéria. Se não há matéria, não há som. Pode haver imenso calor, e radiação, e força, mas para um humano observador próximo, é tudo muito silencioso.
Se, hipoteticamente, houvesse ar enchendo o universo, então de repente as coisas ficariam muito barulhentas. Esqueça o terrível conceito do som de uma supernova – só o sol mudo ali sentado soaria a uns espantosos 290 dB. De acordo com um físico solar, ouviríamos isso na Terra como um som de 100 dB – o volume de uma motocicleta – o tempo todo, todos os dias, em todos os lugares. Fique feliz que esse som não viaje no vácuo.
Um último pensamento-
Pesquisar por esse post e aprender sobre qual som é me deu uma nova perspectiva sobre a árvore caindo na floresta sem ninguém lá para ouvi-la questionar. Agora eu acho que não, não faz um som. Faz uma onda de pressão de ar e é isso. O conceito de som é por definição a percepção que um ser biológico tem da onda de pressão – e se não há ouvidos por perto para perceber a onda de pressão, não há som. É um pouco como perguntar: “Se os humanos se extinguirem, e algures nos escombros pós-apocalípticos, há uma foto de uma bela mulher deitada lá, ela ainda é bela?” Eu acho que ela não é. Porque a única coisa que é bela nela é que os humanos a acharam bela, e sem os humanos, ela não é mais bela que o escaravelho fêmea a poucos metros de distância, rondando os escombros. Certo?
___________
Três coisas que quero que leias:
Se gostas de Wait But Why, inscreve-te na lista Wait But Why e nós enviamos-te os novos posts logo que eles saiam. Melhor do que ter que checar o site e se perguntar!
Se você gostaria de apoiar o Wait But Why, aqui está o nosso Patreon.
E a série completa de posts do Elon Musk está agora disponível como um ebook.
___________
Se você gostou, aqui estão mais alguns Wait But Why explainsers:
How Tesla Will Change the World
The AI Revolution: The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Sources
The awesome GIFS: Dan Russell and ISVR
CDC: Prevenção de Ruído e Perda Auditiva
Departamento do Trabalho dos EUA: Exposição ao ruído ocupacional
Nautil.us: The Sound So Loud That It Circled the Earth Four Times
UNSW: What is a Decibel?
Decibelcar.com: Decibel Equivalent Table
Make it Louder: Tabela de Decibel de nível de pressão sonora final
NASA: Teste de supressão de som desencadeia uma inundação
Idioma Zero: Quão alto é o Sol?
Gibson.com: Pode fazer muito barulho: As 10 Bandas de Rock mais barulhentas de todos os tempos
GC Audio: Decibel (Loudness) Comparison Chart
Mathpages.com: A Velocidade do Som
Vira-o para a esquerda: Níveis de Ruído
Técnica Extrema: Pode um som alto o suficiente matá-lo?
Abelard.com: Música alta e danos auditivos
Vaca à prova de som: O som mais alto já ouvido
Chalmers: O microfone quântico capta um som extremamente fraco
born.gov.au: A erupção de Krakatoa, 27 de Agosto de 1883