Cómo funcionan las ondas de sonido y el aire

En un sólido elástico, las partículas vuelven a su posición de equilibrio después de que ha pasado la onda de sonido: debido a que están unidas entre sí, tienen un "sentido de lugar" definido.

Las moléculas de aire no tienen una posición fija: se mueven y el efecto promedio de su movimiento se experimenta como presión (número de partículas que golpean un área multiplicado por su cambio de momento normal a la superficie = fuerza por área = presión).

Ahora bien, cuando aumenta la densidad, aumenta el número de moléculas por unidad de volumen; esto aumenta el número que golpea una unidad de área por unidad de tiempo y, por lo tanto, la presión. Pero dado que las moléculas "en la próxima losa de aire" no tienen una presión igualmente alta, más moléculas se moverán del área de alta presión al área de baja presión que viceversa, por lo que la "ola" de alta presión se mueve. Si reduce la densidad en una región temporalmente, sucede lo contrario: las moléculas de áreas adyacentes de mayor presión se moverán "para llenar el vacío".

Todo esto es posible porque, si imaginas una caja llena de aire con un plano imaginario corriendo por el medio, un número aproximadamente igual de moléculas se moverá a través del plano de izquierda a derecha y de derecha a izquierda, cada segundo. Si comienza con un color de gas en un lado de la membrana y otro color de gas en el otro, los dos se mezclarán muy rápidamente; esto se denomina difusión.

Todo lo cual es una forma larga de decir: hay una imagen microscópica de las moléculas en movimiento que explica la presión, la difusión y las ondas de sonido. Esta imagen nos dice que las moléculas no tienen una posición fija; pero tienen una tendencia a moverse de alta presión a baja presión.

También recomiendo leer la pregunta/respuesta que escribí anteriormente. Tiene una imagen posiblemente útil.

Esta propagación de ondas de sonido semiduplicadas debería responder a sus preguntas mucho mejor que lo que he escrito a continuación. La respuesta de Floris en esta página explica el proceso de movimiento de las moléculas de aire en términos de variaciones de presión, con más detalle (y precisión) que yo aquí.

Ahora supongamos una onda de sonido. La primera partícula de aire se desplaza y choca contra la siguiente. ¿Cómo sabe a qué lugar regresar? En el sitio web, decía que la partícula de aire (o molécula) regresa a su posición de reposo como resultado de la colisión, pero si imaginamos algo así como el comienzo de un juego de pelota de bolsillo, la bola original que causa la perturbación solo regresa aproximadamente a su posición original. posición en todo caso. También las otras bolas estarían permanentemente desplazadas, lo cual no es característico de una ola.

Si la partícula original sabe adónde regresar debido al vacío que creó, ¿no podrían otras partículas llenar ese vacío también, dado que el vacío no está exactamente reservado para una partícula específica?

Si la situación es tal que la mesa está llena de bolas, de modo que hay poco espacio entre cada bola, las bolas no se desplazarían tanto, pero aún así difícilmente se puede describir como "asumiendo su posición original" como una bobina furtiva. hace. No lo he intentado, pero no puedo imaginarme empujando y tirando hacia atrás una pelota repetidamente dentro y fuera de un gran grupo de pelotas haciendo ondas como las ondas de sonido, ¿o sí?

Creo que he respondido a la mayoría de sus puntos aquí, o al menos lo he intentado. Las moléculas de aire no saben nada, aprecio que no lo digas literalmente, pero lo que quiero decir es que no tienen ningún lugar predeterminado en la habitación. Hay tantos tan apretados que hace poca diferencia si las moléculas de aire originales que iniciaron la ola se mueven a otro lugar, hay muchas más para moverse muy rápido, mucho, mucho más rápido de lo que puedes hablar, y tomar su lugar.

Algunos números:

Para el aire típico en las condiciones de la habitación, la molécula de aire promedio se mueve a unos 500 m/s (cerca de 1000 millas por hora), por lo que llenan cualquier espacio con bastante rapidez y permiten que el sonido se transmita de manera continua. Una habitación promedio tiene aproximadamente$2.5 × 10^{25}$moléculas de aire por metro cúbico.

Cada molécula ocupa un volumen de$4 × 10^{−26} m^3$y el espacio entre las moléculas es del orden de la raíz cúbica de eso, o 3 nm.

Por lo tanto, hay muchos objetos diminutos que se mueven cerca unos de otros para transportar el sonido de manera muy eficiente.

Hmm... Creo que tienes razón en el segundo párrafo. Puedo imaginarme fácilmente estando en una piscina de agua y usando mis manos, creando una ola tirando. El agua llenará inmediatamente el espacio donde estaba mi mano, y eso no se trataría realmente de que el agua se adhiriera a mi mano. Pero incluso entonces, no creo que todas las moléculas de agua hayan regresado a su posición original después.

Creo que es posible que hayas tenido la idea preconcebida de que una onda de sonido es absolutamente lineal, al menos por unas pocas pulgadas frente a tu boca, pero no lo es. Se propaga de inmediato, pero tenemos tanto control sobre el tono y el tono de nuestras voces que ajustamos automáticamente cuando sabemos que no podemos ser escuchados. No quiero concentrarme exclusivamente en hablar, pero para mí, es la forma más fácil de transmitir la idea de un sonido continuo, como una conversación, porque nuestros pulmones están trabajando para mantener la onda de sonido moviéndose por la habitación, en lugar de de repente, una vez apagado el ruido.

¿Por qué vuelven a su posición original?

Las moléculas de aire son pares de átomos, nitrógeno$N_2$y oxigeno$O_2$, conectados por enlaces electrónicos. Pero se necesita mucho más poder del que tenemos cuando hablamos, para transportar el sonido al comprimir las moléculas reales, por lo que es el movimiento espacial de la molécula como un todo lo que transmite el sonido. Una vez que hablamos, creamos un pequeño vacío parcial y las moléculas de aire se apresuran a llenarlo, de modo que si la ola no termina su ciclo de compresión, hay moléculas allí para llenar los espacios y continuar la ola. Confiamos totalmente en el movimiento (traducción en la jerga de la física) de las moléculas de aire para transportar el sonido.

Regresan aproximadamente a su posición original porque el aire que se encuentra delante de ellos se comprime y los empuja hacia atrás. Intente hablar en el agua y es mucho más densa, alguien justo debajo de la superficie del agua verá una cara que se parece a un pez dorado, pero no escuchará ningún sonido distintivo. Las moléculas de aire también regresan en parte, porque cuando hablamos jalamos el aire hacia adentro y ese proceso, aunque obviamente disminuye con la distancia, mantiene la onda. Finalmente, regresan a sus posiciones porque hay tantos que no pueden/no pueden viajar muy lejos en primer lugar.

¿La diferencia entre crear una bocanada de aire y crear una onda de sonido es cuán corta y abrupta es la perturbación, como cuando se rompe una toalla?

No es exactamente lo mismo. Cuando rompes una toalla, envías una ola de aire, pero esto no es lo mismo que hablar. Cuando hablamos, estamos constantemente empujando y sacando aire de nuestros pulmones, sacando aire para hacer el sonido y sacando aire para prepararnos para la siguiente palabra. Así que ese proceso es como un resorte, empujando tus palabras por el aire hacia el oyente.

Además, si las moléculas involucradas en la formación de las ondas no pueden atraerse entre sí, ¿eso significa que no puedes generar ondas de sonido mediante una fuerza de atracción?

Se crea una onda de sonido al iniciar una compresión longitudinal o una onda de rarefacción, por lo que realmente no importa si usa una fuerza de tracción o de empuje para hacer que la onda se active. Como ilustración de esto, puede hacer fácilmente distintas palabras, como decir la palabra "car", por ejemplo, al inhalar o al exhalar de manera más efectiva. Un grito o un discurso normal, obviamente, es más eficaz cuando se expulsa el aire, pero es una cuestión de grado más de lo que es absolutamente imposible de lograr.

Creo que en su pregunta, es posible que no aprecie completamente cuán relativamente denso es el aire en una habitación. Cada centímetro cuadrado del suelo que te rodea tiene 15 libras de peso, es decir, muchas moléculas de aire disponibles para llevar el sonido del ladrido del perro de tu vecino desde el jardín trasero o a través de un parque hasta tu oído.

Realmente no es posible modelar la propagación del sonido en el aire calculando los caminos de las moléculas individuales. En cambio, la velocidad del sonido se puede calcular según Isaac Newton, tratando el aire como un continuo, usando la densidad y la compresibilidad. (Vale, se necesita la compresibilidad adiabática, esta es una corrección del 20 % del valor de Newton).

La justificación de esto es que la longitud de onda de las ondas de sonido audibles más cortas en el aire (unos pocos centímetros) es mucho más larga que el camino libre medio a la presión atmosférica (¿era de 20 micrómetros?). Entonces, la presión y la temperatura son cantidades significativas en estas escalas de longitud.