El sonido y su ciencia: desde la vibración hasta la percepción humana

El sonido es una vibración que viaja a través de un medio, como el aire, el agua o incluso materiales sólidos, y llega a nuestros oídos. Una forma de visualizar este fenómeno es tocando una cuerda de guitarra: al hacerla vibrar, la cuerda se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás. Al principio, el sonido será fuerte, pero gradualmente se va apagando hasta desaparecer. ¿Por qué ocurre esto?

Imagina un estanque tranquilo y luego una persona lanza una piedra al centro. La piedra provoca ondas que se expanden por toda la superficie del agua, hasta llegar al borde del estanque donde está el observador. Algo similar sucede con el sonido: cuando un objeto vibra, como las cuerdas de una guitarra o las cuerdas vocales al hablar, genera ondas sonoras que viajan a través del aire. Estas ondas son pequeñas perturbaciones que se propagan en todas direcciones.

El sonido se transmite de molécula en molécula a través del aire (o cualquier otro medio), y es percibido por nuestros oídos como una serie de vibraciones. Con el tiempo, a medida que las ondas se alejan de su fuente, su energía disminuye, por lo que el sonido se va volviendo más débil hasta que finalmente desaparece.

En resumen, el sonido es simplemente una vibración que viaja a través de un medio, y su propagación es similar a las olas que se generan cuando una piedra cae en el agua.

¿Cómo se produce y propaga el sonido?

El sonido se genera cuando un cuerpo, como una piedra que cae en el agua, vibra rápidamente, provocando la creación de ondas. Este fenómeno se puede entender a través de un ejemplo: cuando la piedra impacta el agua, genera pequeñas olas que se propagan en todas direcciones. Este proceso es similar a cómo las ondas sonoras viajan a través de un medio como el aire.

La transmisión del sonido se basa en la propagación de una onda a través de un medio elástico, como el agua del estanque. Un medio elástico es aquel que permite que la energía o materia se transfiera de una partícula a otra. Estas partículas interactúan entre sí a través de procesos de contracción y dilatación, volviendo luego a su posición original. En el caso del estanque, cuando la piedra causa una contracción, las partículas de agua se agrupan y se acercan, formando pequeñas olas. Luego, en la fase de dilatación, las partículas se separan, dejando espacios entre las olas.

Sin embargo, a diferencia de las ondas de agua, las ondas sonoras no propagan materia; en lugar de eso, transmiten energía. Estas ondas se componen de zonas de alta presión (compresión) y zonas de baja presión (dilatación), las cuales viajan a través del aire. Cuando estas ondas llegan a nuestros oídos, el sistema auditivo las procesa, y finalmente el cerebro las interpreta como sonido.

En resumen, el sonido es la propagación de ondas de energía que pasan por un medio elástico, causando variaciones de presión que nuestro cerebro traduce como sonidos que escuchamos.

¿A qué velocidad se propaga el sonido?

La velocidad con la que se propaga el sonido depende de dos factores principales: la densidad y la temperatura del medio a través del cual viaja, pero no está influenciada por la presión atmosférica. Para entender estos conceptos, podemos recurrir a una analogía simple.

Imagina que estás añadiendo azúcar a una taza de café. Si tomas una cucharada de azúcar, los granos están muy juntos (esto representa un cuerpo denso, como los sólidos). Si los agregas al café y lo revuelves, los granos se separan y se disuelven, lo que representa un líquido con menor densidad. Si sigues removiendo, los granos casi desaparecen y las partículas están mucho más separadas (esto sería un gas con baja densidad). El sonido se propaga más rápido en los medios más densos, como los sólidos, porque las partículas están muy juntas y pueden transmitir el movimiento de una a otra con mayor rapidez.

En los sólidos, las partículas están muy unidas, por lo que cuando un objeto vibra, transmite el movimiento a las partículas cercanas rápidamente, lo que resulta en una alta velocidad de propagación del sonido. En líquidos y gases, las partículas están más separadas, lo que disminuye la velocidad a la que se transmite el sonido. En el vacío, donde no hay partículas, no puede propagarse el sonido, porque no hay materia para transmitir las vibraciones.

Además, la temperatura también juega un papel importante: cuando un cuerpo se calienta, las partículas se separan, y en consecuencia, el sonido viaja más lentamente. Por el contrario, cuando la temperatura baja, las partículas se agrupan, y la propagación del sonido se acelera. Es por eso que en invierno, cuando el aire es más frío, a menudo se escucha mejor, ya que las partículas están más cerca y el sonido viaja con mayor rapidez.

En resumen, el sonido se propaga más rápido en sólidos que en líquidos o gases, y su velocidad disminuye con el aumento de la temperatura del medio.

Tono o altura

El tono o altura de un sonido se refiere a la frecuencia de las vibraciones que lo producen, es decir, cuántas oscilaciones completas realiza una partícula en un segundo. Esta frecuencia se mide en Hertzios (Hz), donde 1 Hz equivale a una oscilación por segundo. Los sonidos que podemos escuchar, llamados sonidos audibles, corresponden a frecuencias entre 20 Hz (sonidos muy graves) y 20,000 Hz (20 kHz) (sonidos muy agudos).

La diferencia entre un sonido grave y uno agudo radica en la frecuencia de sus vibraciones. Las notas agudas corresponden a frecuencias altas, por ejemplo, un “Si” en un piano, que tiene una frecuencia cercana a los 4,000 Hz. En cambio, las notas graves se producen con frecuencias bajas, como el “Do” en la misma escala, que tiene una frecuencia mucho menor, cercana a los 130 Hz.

En resumen, a mayor frecuencia de vibración, el tono del sonido será más agudo, y a menor frecuencia, el tono será más grave. Esta propiedad es lo que nos permite distinguir entre diferentes notas musicales y clasificar los sonidos en agudos o graves.

Intensidad

La intensidad del sonido está directamente relacionada con la sonoridad o lo fuerte que percibimos un sonido. En términos físicos, la intensidad de un sonido se refiere a la amplitud de las oscilaciones del medio que transporta el sonido. Es decir, cómo de grandes son los desplazamientos de las partículas cuando un objeto vibra. Si las vibraciones son amplias, el sonido será más fuerte, mientras que si son más pequeñas, el sonido será más suave.

Tomando nuevamente el ejemplo de una guitarra: si se toca una cuerda con fuerza, la vibración será más pronunciada y el sonido producido será más fuerte. Si la cuerda se acaricia suavemente, las vibraciones serán pequeñas y el sonido será más débil. En resumen, la intensidad del sonido es nuestra percepción de su volumen o fuerza.

La intensidad del sonido se mide en decibelios (dB). Los decibelios nos permiten comparar el volumen de diferentes sonidos, siendo 0 dB el umbral mínimo de audición para el oído humano y 120 dB el nivel que comienza a ser doloroso. Al aumentar el volumen en un aparato, lo que realmente estamos haciendo es incrementar la intensidad del sonido.

Timbre

El timbre es la cualidad del sonido que nos permite distinguir entre diferentes fuentes sonoras, incluso cuando el tono (frecuencia) y la intensidad (volumen) son los mismos. Es lo que nos permite diferenciar, por ejemplo, un sonido emitido por un clarinete y uno de una flauta, aunque ambos toquen la misma nota y con el mismo volumen.

La razón por la que podemos identificar qué instrumento está sonando, incluso si están tocando la misma nota, es que el timbre está relacionado con la forma de la onda sonora. Los sonidos musicales no son ondas simples, sino complejas, compuestas por la superposición de varias ondas de diferentes frecuencias. Cada instrumento tiene una combinación única de estas frecuencias, lo que le da su timbre distintivo.

Así que, aunque dos sonidos puedan tener la misma frecuencia y amplitud, sus ondas sonoras tendrán diferentes características en cuanto a sus armónicos y la forma de la onda, lo que nos permite percibirlos como distintos.