Cuando dos moléculas chocan, ¿se produce un sonido?

Una onda de sonido es un movimiento sincronizado de millones y millones de átomos o moléculas. Las colisiones aleatorias de átomos o moléculas no están sincronizadas y no producen una onda de sonido.

Una onda de sonido es como una onda de estadio en un gran estadio deportivo. Solo obtienes una ola si las personas se mueven de manera sincronizada, cada persona de pie justo detrás de su vecino. Si la gente simplemente se para y se sienta al azar, entonces no hay ola.

Una onda de sonido de 20 kHz suponiendo que la velocidad del sonido es de 343 m/s tiene una longitud de onda de 17 mm ($f\lambda = v$), mucho más grande que el camino libre medio de las moléculas en el aire (aproximadamente 68 nm ), la longitud de onda que podría atribuir a tal colisión. Esto significa que la frecuencia de tal colisión sería mayor que el límite superior del oído humano. Tal colisión liberaría energía <$3k_{B}T \sim 10^{-20}$j

En la práctica, las ondas de sonido son una solución a las ecuaciones hidrodinámicas que asumen una aproximación fluida en la que ya no se nos permite tratar el aire como moléculas individuales, sino como un fluido.

Pero incluso en una situación en la que permite que el sonido se defina para moléculas individuales, la frecuencia (de cualquier manera artificial se vería obligado a definirla) sería demasiado alta para detectarla, y la energía sería demasiado baja para detectarla, por ejemplo. un oído humano. En una situación en la que inyecta una única colisión de alta energía, las colisiones aleatorias consumirían rápidamente la energía. Piensa en la lentitud con la que el calor se difunde a través del aire y en cómo la energía se ha extendido por todo el volumen de átomos cuando llega a tu oído.

De hecho, no escuchamos el calor, especialmente porque se manifiesta como una gran cantidad de colisiones en nuestro tímpano que proporcionan (en la aproximación de fluido) una presión constante.

No , no de la misma manera que lo hacen las colisiones de objetos más grandes.

La razón de esto es muy simple: a la escala de las moléculas individuales, estamos efectivamente "en el espacio" , como por donde vuela una nave espacial. Si quieres, este es el espacio interior , por analogía con el espacio exterior .

El sonido requiere un medio para viajar. El aire proporciona ese medio para objetos grandes. Pero el aire está hecho de moléculas. Al nivel del mar de la Tierra, esas moléculas están separadas por unos 68 nm en promedio, pero quizás solo tengan un tamaño de 0,3 nm. Entre las moléculas está el vacío. Por lo tanto, la colisión de dos moléculas de aire ocurre efectivamente en el vacío, por lo que no se produce ningún sonido, exactamente por la misma razón por la que si dos asteroides chocan entre sí en el espacio exterior, no se producirá ningún sonido.

Dicho esto, hay una advertencia aquí: las "moléculas", técnicamente, no tienen un límite superior estricto para su tamaño. En teoría, un diamante, de tamaño macroscópico visible, podría estar constituido en su totalidad por una sola molécula (aunque los diamantes realistas probablemente tendrán varias). Si uno hiciera chocar dos diamantes de una sola molécula entre sí, entonces, por supuesto, escucharía un sonido.