Entendamos el sonido

Héctor Domínguez Álvarez*

Shutterstock El sonido siempre nos acompaña en nuestras vidas. Gracias al sonido distinguimos la voz, los gritos o el llanto de las personas; gracias al sonido, nos damos cuenta cuando una ambulancia pasa cerca de nosotros o cuando un avión está cerca de aterrizar; y, desde luego, gracias al sonido podemos disfrutar de la música en sus diferentes géneros, entre muchas experiencias relacionadas con este fenómeno. Pero, alguna vez te has preguntado: ¿qué es el sonido?, ¿cómo se produce?, ¿en dónde se transmite con mayor facilidad o dificultad?, ¿qué es el tono de un sonido?, ¿cómo se mide la intensidad de un sonido?, ¿qué es el eco?, ¿qué es el efecto Doppler? o ¿cómo funciona el oído humano? La respuesta a estas preguntas y otros aspectos interesantes relacionados con el sonido podrás conocerlos en este artículo. Te invitamos a leerlo detalladamente y a realizar los sencillos experimentos que aquí se plantean.

Introducción

los pájaros, los motores de los automóviles, el ladrido de los perros, el ruido de la lluvia, el impactante estruendo del trueno y los fascinantes sonidos de la música, entre muchos ejemplos. Cabe destacar que los sonidos nos acompa vientre materno empezamos a escucharlos– y hasta el otro extremo, el día de nuestra muerte.

Algunos sonidos son fuertes y otros suaves, algunos sonidos son agradables y otros desagradables. El sonido es tan importante en nuestras vidas que los seres humanos podemos comunicarnos entre nosotros gracias al sonido. Casi todas las especies animales se comunican emitiendo sonidos que les son característicos. Gracias a cierto tipo de sonidos, como los que emiten las alarmas sísmicas y las sirenas de ambulancias, podemos advertir algunos riesgos o urgencias. Y también, mediante el sonido podemos disfrutar de la música en todos sus géneros y estilos. ¿Se imaginan cómo sería nuestra vida sin sonidos? Sin duda, totalmente diferente.

* Divulgador adscrito a la Dirección General de Divulgación de la Ciencia, UNAM.

Actividad Producción de sonidos

Te invitamos a que escuches y produzcas sonidos, identificando las características de cada uno de ellos:

Consigue un silbato “de bolita” y sopla fuerte.

Sopla sobre el cuello de una pequeña botella de plástico vacía.

Enciende el radio y sintonízalo en una estación donde transmitan música.

Escucha el sonido de una ambulancia cuando pasa cerca de ti. Coloca una liga estirada alrededor de una pequeña caja de cartón o madera sin tapa. Jala o pulsa la liga.

Golpea con una cuchara metálica el fondo de una taza u olla de aluminio volteada.

Asiste a un estadio con mucha gente y escucha la exclamación cuando se mete un gol o cuando se entona una porra.

Grita o canta produciendo sonidos con la ayuda de tus cuerdas vocales.

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Ken Lund en www.flickr.com Empecemos a analizar el sonido desde el punto de vista de la física. Para iniciar, afirmaremos que el sonido es una onda, y a fin de entender lo que es una onda nos referiremos a una interesante experien un estadio, los espectadores se levantan y se sientan en el mismo lugar siguiendo un cierto orden. Este movimiento masivo se percibe desde una distancia media, diga mos entre 50 y 100 metros, como una ola que se mueve alrededor del estadio. Lo que se desplaza alrededor del estadio es el efecto del movimiento del público (pararse y sentarse). Ellos no cambian de lugar. Este movimiento que viaja es una onda. Ahora te invitamos a que aprecies en vivo el desplazamiento de una

Actividad La onda del dominó

Material necesario

Procedimiento dejando de 1 a 2 centímetros de separación entre cada una de ellas.

¿Qué ocurre? Pues que el empujón se transmite a todas las fichas, tirándolas hasta llegar a la última. Las fichas conservaron su lugar; lo que se transmitió sólo fue el empujón. Ésta es una onda.

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las ondas transmiten energía. Este hecho lo puedes fácilmen tico con agua y un barco de papel que flota sobre el agua. El barco se coloca el centro. Se formará una ola u onda que irá del centro de la tina hacia la orilla. Cuando la onda llegue al barco, éste se levantará y regresará a su posición original. ¿De dónde salió la energía necesaria para levantar el barco de papel? Se produjo por la caída de la moneda o piedra y fue transportada por la onda u ola. Esta sencilla demostración prueba que las ondas transmiten energía.

Correo del Maestro

Las ondas transmiten energía

Patrón de ondas que se forma al dejar caer una piedra dentro de una tina con agua

Ahora veamos, ¿cómo se genera una onda sonora? Se genera cuando producimos una vibración o perturbación en un medio como el aire. Este hecho de cartulina de 30 centímetros de largo aproximadamente, y haciendo un movimiento de vaivén (ida y vuelta) sobre la regla con nuestra mano. Al hacerlo en una dirección (alejando la tira) estamos empujando las moléculas de aire, mientras que en el sentido contrario (cuando acercamos la tira) alejamos las moléculas, una de otra. De esta manera formamos zonas de compresión donde se empujan las moléculas, acercándolas entre sí, y zonas de estiramiento, también llamadas de rarefacción, donde se alejan una de otra. Estas zonas se desplazan a lo largo del medio de transmisión, en este caso el aire. No podemos ver las zonas de compresión o de estiramiento porque el aire es invisible. Así se produce una onda. Cuando golpeamos un diapasón musical, empieza a vibrar y podemos escuchar su sonido característico, tal como se muestra en la figura siguiente.

Correo del Maestro El sonido es una onda que al desplazarse va comprimiendo y estirando las moléculas del medio en el que se transmite

C C R R C

C = Compresión R = Rarefacción

Ahora podemos afirmar que, para que se genere un sonido, se debe pro la membrana o cuero de un tambor cuando se golpea, la columna de aire en una flauta cuando se sopla a través de la boquilla, o nuestras cuerdas vocales, al hacerlas vibrar por el paso de aire de nuestros pulmones.

En una vibración, al viaje de ida y vuelta se le llama ciclo. Ocurre que el tono de un sonido depende de su frecuencia, que es el número de ciclos (viajes de ida y vuelta) por segundo, lo cual se abrevia ciclos/seg. Los sonidos agudos, como los de una flauta pícolo, tienen frecuencias altas, es decir, muchos ciclos por segundo, mientras que los sonidos graves, como los de una tuba, tiene frecuencias bajas (pocos ciclos por segundo).

Identifiquemos los intervalos de frecuencia de algunos sonidos conocidos

Voz de una soprano: de 262 a 1047 Voz de un barítono: de 110 a 392 Ladrido de un perro: de 460 a 1150 Los sonidos de un piano: van de 25 (la tecla que se encuentra en el extremo izquierdo y produce un sonido grave) a 4699 (la tecla que se encuentra en el extremo derecho y produce un sonido agudo)

Las limitaciones del oído humano

El oído humano no es capaz de percibir todos los sonidos, sólo puede detectar sonidos que tengan entre 20 y 20 000 ciclos por segundo. El sonido por debajo

de 20 ciclos por segundo se denomina infrasonido, mientras que el sonido por arriba de 20 000 ciclos por segundo se llama ultrasonido. El oído humano no puede percibir ondas sonoras del infrasonido ni del ultrasonido. Sin embargo, el oído de algunos animales sí percibe sonidos en la zona del infrasonido y en

Ocurre que los elefantes se pueden comunicar a kilómetros entre unos y otros gracias a sus sonidos dentro de la zona del infrasonido; los delfines se pueden comunicar entre ellos a cientos o miles de metros de distancia dentro de las aguas de los océanos por los sonidos que producen en la zona del ultrasonido. Habrás escuchado de los silbatos de perro que sirven para educarlos; estos silbatos emiten un ultrasonido, que, por lo tanto, los humanos no podemos percibir. Los murciélagos emiten y escuchan ultrasonidos, lo cual les permite viajar en la oscuridad y detectar con precisión los insectos que se comen.

Intervalos que escuchan los oídos de algunos animales (en ciclos/seg.)

Elefante: 5 a 18 000

Perro: 15 a 50 000

Gato: 60 a 65 000

Murciélago: 1000 a 210 000

Delfín: 150 a 200 000

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El sonido requiere un medio de transmisión

Ahora veamos otro aspecto de las ondas sonoras. Para ello imaginemos un experimento rra un reloj ruidoso dentro de una campana de vidrio. Junto a la campana hay una persona que escucha el tic-tac que produce el reloj. Ahora alguien empieza a extraer el aire que está dentro de la campana, y la persona que está a un lado no escucha el tic-tac, por lo que cree que el reloj se paró, pero no es así, ya que el reloj continúa moviendo las manecillas.

tic-tac tic-tac

Correo del Maestro

¿Entonces qué ocurrió? Al extraer el aire, las ondas sonoras no se pueden desplazar porque no existe un medio de transmisión, en este caso el aire. Este medio puede ser gaseoso (como el aire), líquido (como el agua) o sólido (como una puerta de madera). Cuanto más denso sea el medio de transmisión, mayor será la rapidez del sonido en ese medio. Por cierto, los sonidos que cotidianamente escuchamos se transmiten por el aire. En el espacio exterior donde no hay casi nada de aire, no es posible oír o escuchar ruido alguno. Aunque es común ver películas del espacio en las que hay explosiones con gran ruido, en realidad éstas no se podrían escuchar ya que no hay medio de transmisión. mentalmente del medio de transmisión y, en algún grado, de la temperatura.

Aire Rapidez de las ondas sonoras según el medio de transmisión y la temperatura Medio Temperatura (°C) Rapidez (m/seg)

20 344

Agua de mar Placa de aluminio 20

20 1500

5104

Actividad La mejor transmisión del sonido

Material

con imagen de Shutterstock Correo del Maestro Procedimiento mente en la mitad el trinche o el gancho de metal (sobre la parte curveada).

mano. duro como una silla o una mesa de madera.

Escucharás un sonido fuerte como una campana. Las vibraciones del trinche o el gancho se transmitirán fácilmente por la cuerda o el cordel (úntalo con aceite). Si sacas tus dedos de las orejas y golpeas el trinche o el gancho, no escucharás las vibraciones de éstos, ya que se transmitirán en el aire, que es un conductor menos eficiente de las ondas sonoras.

Otra opción: Mastica un pedazo de manzana o unos cacahuates. Escucharás muy claramente el sonido producido por tus dientes y transmitido por tus huesos hasta llegar a tus oídos. Pídele a un amigo que se coloque junto a ti y pregúntale si escucha el ruido producido por tu masticación. La diferencia es el medio de transmisión: cuando el sonido se transmite dentro de tu cráneo (cuerpo sólido), se hace de mejor forma que en el aire (gas).

Resumiendo, podemos afirmar que para producir un sonido se requieren dos cosas: generar una vibración y contar con un medio de transmisión.

Correo del Maestro con imagen de Shutterstock

Ahora, ¿qué podemos decir de la intensidad de una onda sonora? La intensidad depende de la cantidad de energía que se aplica para generar la onda sonora. Los sonidos fuertes causan grandes compresiones y expansiones en el medio de transmisión, ya que se transmiten con mayor energía que los sonidos débiles. Por ejemplo, si se hace vibrar con vigor la cuerda de una guitarra, las vibraciones serán ¡Importante! más intensas que si se pulsara la cuerda más suavemente. La intensidad de las ondas sonoras se ¡Debemos proteger los tímpanos de mide en unidades llamadas decibeles (db). nuestros oídos!, ya que los podemos lastimar para siempre; por cierto, jet al despegar, estando a una mucho cuidado con escuchar música a gran volumen a través de auriculares pequeños como los de un teléfono móvil. Se recomienda que los sonidos en nuestro medio cotidiano no rebasen los 60-80 decibeles. . Se ue n o e80 150 db.

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¿Cómo funciona el oído humano?

medio y el oído interno.

A través del oído externo, que empieza en nuestra oreja, las ondas sonoras que en este momento son zonas de compresión y elongación de partículas de aire, entran al canal auditivo hasta llegar a una membrana muy delgada y delicada llamada tímpano, que tiene un grosor de apenas 0.1 milímetro.

Pasamos al oído medio, en donde las ondas sonoras hacen vibrar el tímpano, tribo, que juntos forman un sistema de palancas cuya función principal es amplificar la fuerza y la presión de las vibraciones que entraron por el canal auditivo.

En el oído interno está la cóclea, que tiene forma de un caracol lleno de líquido, donde se encuentran unas células en forma de cabellos, que son muy nidos, tal como los conocemos, son producto de nuestro cerebro. Las ondas sonoras que producimos al hablar o gritar recorren el interior de nuestra ca- beza y se transmiten a través del aire y del cráneo.

OÍDO EXTERNO Capta las ondas sonoras

OÍDO MEDIO Amplifica las ondas sonoras

OÍDO INTERNO Convierte las ondas en impulsos eléctricos

Canal auditivo Tímpano

Martillo

Yunque Estribo Cóclea

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¿Qué es el eco?

Todos alguna vez hemos escuchado el eco, pero ¿qué es y cómo se produce? Se genera cuando una onda sonora se refleja al chocar contra una superficie lisa (no porosa) y dura, suficientemente alejada (ver figura adjunta).

En muchos auditorios y salas de música, las paredes o incluso los techos, son rugosos, o están cubiertos de cortinas o recubiertos de corcho, a fin de evitar los rebotes de las ondas sonoras.

El oído humano puede diferenciar o distinguir entre dos sonidos consecutivos sólo si llegan separados cuando menos por una décima de segundo. Si los dos sonidos llegan separados por menos de una décima de segundo, los apreciamos como un solo sonido. Si gritas frente una pared reflejante que se encuentre a más de 17 metros de distancia, tu grito se reflejará y se producirá un eco.

Onda sonora reflejada (eco)

Onda sonora emitida Superficie dura y lisa

Correo del Maestro con imagen de Shutterstock

El sonar

Entre las varias aplicaciones prácticas del eco está el sonar, que es un instrumento muy útil para los buques y los submarinos. Se trata de un aparato que produce ondas sonoras de la región del ultrasonido que viajan hacia el fondo del océano con una rapidez conocida. Cuando estas ondas sonoras llegan al fondo del mar o inciden en cardúmenes, son reflejadas y regresan al sonar. Conociendo el tiempo que tardan en ir y regresar, así como su rapidez, se puede

con imagen de Shutterstock a partir de Dominguez H. y Fierro J. (2003). Correo del Maestro Los sonidos de nuestro mundo calcular la distancia que existe entre el buque y el fondo del mar o los cardúmenes.

El efecto Doppler1

Todos hemos escuchado el sonido característico de la sirena de una ambulancia. Si nosotros estamos parados en la acera de una calle y escuchamos que una ambulancia se acerca, constatamos que, conforme se aproxima la ambulancia, el sonido de la sirena se hace cada vez más agudo; en contraste, cuando la ambulancia se aleja, el sonido se hace cada vez más grave, lo cual significa que la frecuencia del sonido de la sirena va cambiando. Este cambio de tono o frecuencia se conoce como efecto Doppler y se debe al movimiento El sonar permite conocer la distancia al fondo marino y detectar bancos de peces relativo entre la fuente que emite las ondas sonoras –en este caso la sirena de la ambulancia– y el receptor. Cuando la fuente en movimiento se acerca al receptor en re- poso, la frecuencia del sonido que le llega va aumentando, por lo que el sonido se hace más agudo (aumenta su frecuencia). Cuando la fuente en movimien- to se aleja del receptor, la frecuencia del sonido disminuye, por lo que el sonido se hace más grave (véase figura anexa).

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Efecto Doppler

1 Para mayor información sobre este tema, puede consultarse, del mismo autor, El efecto Doppler.

Su descubrimiento, explicación y aplicaciones”, en Correo del Maestro, núm. 21 14), pp. 16-20. [N. de la E.]

El efecto Doppler es utilizado para medir la rapidez de los vehículos. Se envían ondas de una longitud de onda parecida a las del radio desde una fuente emisora. Estas ondas se reflejan en el vehículo en movimiento y llegan al detector, que está calibrado para identificar a los vehículos que han rebasado la velocidad máxima permitida.

Hemos repasado algunos de los conceptos más importantes del sonido. Ahora conoces más de este fenómeno tan importante en nuestra vida. Esperamos que, en lo sucesivo, cuando escuches algún sonido tengas más conocimientos para analizarlo y caracterizarlo. Entiende y disfruta los sonidos que nuestra vida sin el sonido.

Actividad Percepción del efecto Doppler

Material reloj.

Procedimiento la bolsa. colócalo dentro de la bolsa. na y pídele que, tomando bien el extremo del cordel, haga girar rápidamente la bolsa por encima de su cabeza, de tal forma que el despertador se aleje y se acerque continuamente de ti.

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Fíjate cómo el tono del sonido del despertador varía conforme se aleja o se acerca de ti. Si la persona hace girar la bolsa con el despertador sólo de arriba abajo, notarás que no cambia el tono del sonido. Como se dijo anteriormente: cuando la fuente emisora se acerca o aleja del receptor, el tono del sonido cambia. Este es el efecto Doppler.