El sonido como onda mecánica

La idea

Qué vas a aprender

• Una onda que necesita un medioconcepto

  A diferencia de la luz, que se propaga en el vacío, el sonido se produce siempre por la vibración de un objeto (una cuerda de guitarra, las cuerdas vocales, el parlante de un auto) y necesita un medio material para propagarse: esa vibración empuja a las partículas vecinas del medio, que empujan a las siguientes, y así se transmite la perturbación de partícula en partícula, sin que la materia "viaje" con el sonido. Es como una fila de personas donde cada una empuja apenas a la de al lado: la onda avanza, pero cada persona vuelve a su lugar. Esta dependencia del medio es la razón por la que en el espacio, donde no hay aire, no se escucha nada, y por la que el sonido viaja más rápido en el agua o en un riel de metal que en el aire (cuanto más juntas y "conectadas" están las partículas del medio, más rápido se transmite el empujón).

• Una onda longitudinalconcepto

  En una onda transversal (como una ola en una soga) las partículas vibran perpendicular a la dirección en la que avanza la onda. En el sonido pasa distinto: las partículas del aire vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda, generando zonas donde el aire queda más comprimido (compresión) y zonas donde queda más disperso (rarefacción), una detrás de otra. Por eso se dice que el sonido es una onda longitudinal.

• Las tres cualidades del sonido, explicadas por la ondaconcepto

  Cuando distinguimos sonidos "de oído", en realidad estamos percibiendo tres magnitudes físicas distintas de la onda sonora:

  • Altura (agudo/grave): depende de la frecuencia $f$ de la onda, medida en hertz (Hz), que es la cantidad de vibraciones por segundo. A mayor frecuencia, sonido más agudo (como el silbato de un árbitro); a menor frecuencia, más grave (como un bombo). La frecuencia se relaciona con el período $T$ (tiempo de una vibración completa) mediante

  $$f = \frac{1}{T}$$

  • Intensidad (fuerte/débil): depende de la amplitud de la vibración, es decir, cuánto se comprime y se dispersa el medio. Una amplitud mayor transporta más energía, y eso se percibe como un sonido más fuerte. La intensidad también disminuye con la distancia a la fuente: por eso un grito se escucha más fuerte cerca que lejos, aunque la fuente vibre igual.

  • Timbre: es lo que permite distinguir un mismo La tocado en una guitarra de uno tocado en un piano, aunque tengan la misma altura e intensidad. Se debe a que ningún sonido real es una vibración "pura": es una combinación de la frecuencia principal más otras frecuencias secundarias (armónicos) propias de cada fuente, que le dan su forma característica a la onda.
• La velocidad del sonidoconcepto

  Como toda onda periódica, el sonido cumple la relación general entre velocidad, frecuencia y longitud de onda:

  $$v = f \cdot \lambda$$

  La velocidad de propagación del sonido no depende de la frecuencia ni de la intensidad, sino del medio por el que viaja (en el aire, a temperatura ambiente, ronda los 340 m/s; en el agua y en los sólidos es bastante mayor). Esto explica por qué, si apoyás la oreja en la vía, escuchás el tren acercarse antes de oírlo por el aire.

Ejemplos resueltos

• A diferencia de la luz, que se propaga en el vacío, el sonido se produce siempre por la vibración de un objeto (una cuerda de guitarra, las cuerdas vocales, el parlante de un auto) y necesita un medio material para propagarse: esa vibración empuja a las partículas vecinas del medio, que empujan a las siguientes, y así se transmite la perturbación de partícula en partícula, sin que la materia "viaje" con el sonido. Es como una fila de personas donde cada una empuja apenas a la de al lado: la onda avanza, pero cada persona vuelve a su lugar. Esta dependencia del medio es la razón por la que en el espacio, donde no hay aire, no se escucha nada, y por la que el sonido viaja más rápido en el agua o en un riel de metal que en el aire (cuanto más juntas y "conectadas" están las partículas del medio, más rápido se transmite el empujón).
• En una onda transversal (como una ola en una soga) las partículas vibran perpendicular a la dirección en la que avanza la onda. En el sonido pasa distinto: las partículas del aire vibran en la misma dirección en la que se propaga la onda, generando zonas donde el aire queda más comprimido (compresión) y zonas donde queda más disperso (rarefacción), una detrás de otra. Por eso se dice que el sonido es una onda longitudinal.
• Cuando distinguimos sonidos "de oído", en realidad estamos percibiendo tres magnitudes físicas distintas de la onda sonora:

Errores comunes

• "El sonido viaja en el vacío, como la luz".

  No: el sonido es una onda mecánica y necesita un medio material. En el vacío del espacio no hay sonido, por más fuerte que sea la explosión.

  Cómo corregirlo: No: el sonido es una onda mecánica y necesita un medio material. En el vacío del espacio no hay sonido, por más fuerte que sea la explosión.

• "El sonido es una onda transversal, como las olas del mar".

  El sonido es longitudinal: las partículas vibran en la misma dirección de propagación, no perpendicular.

  Cómo corregirlo: El sonido es longitudinal: las partículas vibran en la misma dirección de propagación, no perpendicular.

• "Un sonido agudo es más fuerte que uno grave".

  Altura e intensidad son cualidades independientes: agudo/grave depende de la frecuencia, fuerte/débil depende de la amplitud. Un silbido agudo puede ser muy suave y un bombo grave puede ser ensordecedor.

  Cómo corregirlo: Altura e intensidad son cualidades independientes: agudo/grave depende de la frecuencia, fuerte/débil depende de la amplitud. Un silbido agudo puede ser muy suave y un bombo grave puede ser ensordecedor.

• "El sonido viaja más rápido en el aire que en el agua o en los sólidos".

  Es al revés: cuanto más "conectadas" están las partículas del medio, más rápido se transmite la vibración, por eso el sonido viaja más rápido en sólidos y líquidos que en el aire.

  Cómo corregirlo: Es al revés: cuanto más "conectadas" están las partículas del medio, más rápido se transmite la vibración, por eso el sonido viaja más rápido en sólidos y líquidos que en el aire.

• "El timbre es solo un capricho del oído, no tiene explicación física".

  El timbre tiene una causa física concreta: la combinación de armónicos que se suma a la frecuencia principal y le da forma particular a la onda de cada instrumento o voz.

  Cómo corregirlo: El timbre tiene una causa física concreta: la combinación de armónicos que se suma a la frecuencia principal y le da forma particular a la onda de cada instrumento o voz.

En resumen