La Ciencia del Sonido: Explorando Ondas Mecánicas y Osciladores

Las ondas sonoras pueden propagarse a través de un medio como el aire o el agua sin transportar materia. Estas perturbaciones mecánicas se llaman ondas sonoras. Isaac Newton, hace trescientos años, intentó medir la velocidad del sonido utilizando un péndulo y un eco en un pasillo en el Trinity College.

Algunos experimentos son apenas posibles en ciertos momentos, sirviendo como pruebas de habilidad e ingenio para físicos experimentales. Un ejemplo de nuestro tiempo es el intento de detectar ondas gravitacionales de estrellas. A finales del siglo XVIII, un experimento estaba midiendo la velocidad del sonido, que viaja más rápido a través del aire que la luz.

Isaac Newton, conocido por su inteligencia, intentó medir la velocidad del sonido utilizando un péndulo y un eco en un pasillo en el Trinity College. Ajustando la longitud del péndulo basado en el tiempo de retorno del sonido, Newton se acercó al tiempo preciso que tarda el sonido en recorrer el pasillo, midiendo así la velocidad del sonido.

El sonido es una onda, una perturbación que se propaga a una velocidad definida. Las ondas de sonido son un fenómeno natural común, similar a las ondas en el agua, la luz y la presión. Las ondas son fundamentales en el mundo de la física y pueden ser demostradas a través de osciladores armónicos.

Las olas no solo son formadas por la naturaleza, sino también por las personas. Las olas pueden propagarse a través de varios medios como el agua, la luz, el sonido e incluso la presión. La formación y propagación de las olas son aspectos fundamentales de la física y han sido estudiados extensamente.

En 1926, Gertrude Ederle recibió una gran bienvenida en Nueva York como la primera mujer en nadar a través del Canal de la Mancha. Su logro creó una onda de choque humana, similar a una onda de sonido en un gas, moviéndose de persona a persona, dejando un vacío parcial a su paso.

En 1952, se llevó a cabo la primera prueba de bomba de hidrógeno en Eniwetok y Wittstock. La explosión nuclear generó una potente onda de choque sentida por todos, marcando un evento significativo durante la era de la Guerra Fría.

El fenómeno de emitir ondas se remonta mucho antes de 1952, incluso precediendo a 1926. Se remonta al principio del tiempo y del universo mismo, comenzando con el Big Bang.

Perturbaciones en un lugar, ya sean naturales o no, inevitablemente desencadenan reacciones en otros lugares. Esta cadena interconectada de eventos y fenómenos terrestres, vinculados por relaciones infinitamente complejas, se puede observar mejor desde la distancia pero se entiende más profundamente cuando se examina de cerca.

Cuando un sistema mecánico estable es perturbado, la respuesta de la naturaleza es el movimiento armónico simple. Este principio es evidente en un oscilador simple y se extiende a múltiples osciladores, donde una perturbación en un oscilador pasa al siguiente en una cadena continua.

La esencia de una onda mecánica radica en la interconexión de osciladores, donde las perturbaciones se propagan a través de una serie de osciladores, creando una onda mecánica.

Ondas mecánicas o impulsos viajan a través de medios como el agua, el aire o sólidos, pasando de un átomo a otro debido a la conexión entre átomos a través de fuerzas eléctricas. La velocidad de propagación depende del medio y de la fuerza del enlace entre partículas.

Las ondas de sonido y de agua se propagan a diferentes velocidades, con las ondas largas avanzando más rápido en mares profundos en comparación con las ondas cortas. Sin embargo, cerca de la costa, todas las ondas se ralentizan independientemente de su longitud, siguiendo los principios fundamentales de las ondas mecánicas.

En todos los entornos, ya sea en tierra o en el mar, las ondas mecánicas siguen los mismos principios básicos. Los osciladores responden armónicamente a las emisiones de ondas, volviendo a sus posiciones iniciales después de cada ciclo, determinando la velocidad de la onda en función de la interconexión y propiedades de los osciladores.

La velocidad de las olas oceánicas está determinada por la gravedad y la longitud de onda. En aguas profundas, si la profundidad del agua es mucho mayor que la longitud de onda, la velocidad de la ola es aproximadamente igual a la raíz cuadrada de la aceleración debida a la gravedad multiplicada por la longitud de onda y dividida por 2.

Las olas del océano, ya sean largas o cortas, difieren de las ondas mecánicas simples. Cada partícula de la superficie del agua gira alrededor de un pequeño círculo, creando colectivamente el familiar efecto de ondulación en la superficie del agua.

Al acercarse las olas a la costa, interactúan con el lecho marino, lo que hace que su velocidad disminuya. En aguas poco profundas, la velocidad de las olas es aproximadamente igual a la raíz cuadrada de la aceleración debida a la gravedad multiplicada por la profundidad del agua. Esto lleva a la distorsión de las olas y eventualmente a su ruptura.

Las ondas sonoras son generadas por el aire vibrante u objetos que comprimen y expanden la densidad del aire. La frecuencia de una onda de sonido coincide con su fuente. La velocidad del sonido en el aire es aproximadamente igual a la raíz cuadrada de la presión dividida por la densidad del aire.

Isaac Newton experimentó con un péndulo en el Trinity College para estudiar la velocidad del sonido. Teorizó que la velocidad del sonido debería ser igual a la raíz cuadrada de la presión atmosférica dividida por la densidad del aire, resultando en 979 pies por segundo en inglés. Sin embargo, el experimento de William Del Hand arrojó un valor más preciso de 1,142 pies por segundo en inglés, lo que llevó a Newton a reevaluar su teoría.

El logro intelectual de Isaac Newton al calcular la velocidad del sonido con un margen de error del 20% fue revolucionario. Antes de Newton, nadie tenía idea sobre la velocidad del sonido. La idea y el cálculo correcto de Newton sobre la velocidad del sonido fueron notables considerando el impulso de la revolución científica de eliminar la magia y los elementos ocultos de la ciencia.

Newton introdujo su teoría de la gravitación, donde fuerzas invisibles actuaban entre cuerpos separados por vastas distancias sin nada en medio. Defendió su teoría afirmando que su validez residía en su capacidad para proporcionar predicciones numéricas precisas y exactas, las cuales consideraba la verdadera prueba de validez científica.

El ajuste de Newton a la teoría de la velocidad del sonido implicaba una práctica científica conocida como 'manipulación', que rara vez hacía. Recalculó la velocidad del sonido considerando el espacio entre las moléculas de aire, la densidad del aire en comparación con el agua y la presencia de vapor de agua en el aire, llegando finalmente a un valor más cercano a la velocidad medida del sonido.

Los meticulosos ajustes de Isaac Newton a la teoría de la velocidad del sonido mostraron cómo la ciencia y la razón triunfaron sobre elementos mágicos y ocultos. Al refinar sus cálculos y abrazar principios científicos, Newton demostró el poder de la investigación racional en la comprensión de los fenómenos naturales.

La discrepancia entre la velocidad del sonido calculada por Newton y el valor medido se debió al calentamiento del aire al comprimirlo, lo que llevó a una recuperación ligeramente más rápida de lo esperado. Este efecto sutil pasó desapercibido hasta un siglo después de la muerte de Newton, resaltando la complejidad de los descubrimientos científicos y la gradual revelación de factores ocultos.