¿La cuerda de un violín seguirá vibrando durante más tiempo en el vacío que en el aire?

Golpear una cuerda de un violín o una guitarra hará que la cuerda vibre, pero después de un breve período de tiempo, la amplitud de la vibración decaerá y, en consecuencia, el sonido producido se extinguirá.

Supongo que esta descomposición ocurre debido a la fricción con el aire. Si esto es cierto, ¿cuánto tiempo más seguirá vibrando la cuerda en una habitación aspirada? ¿Alguna forma de estimar esto? ¿Hay otros efectos que causen la amortiguación?

Aparte de la fricción, hay una pérdida de energía debido, por ejemplo, a la interacción potencial con el aire. En ausencia de aire, el amortiguamiento será debido a deformaciones inelásticas en el interior del sistema que contiene la cuerda.
@VladimirKalitvianski Lo siento, ¿podría dar más detalles, por favor?
Para la propagación del sonido se necesitan oscilaciones de presión que son principalmente elásticas, potenciales. Por ejemplo, una membrana empuja el aire y lo comprime. En cuanto a las deformaciones inelásticas en una guitarra, siempre existen en los sistemas clásicos por lo que la energía almacenada en las oscilaciones de las cuerdas se va transformando progresivamente en calor.

Respuestas (3)

El instrumento está diseñado para hacer sonido. La pérdida de energía no se debe a la fricción, sino a la emisión de sonido. En el vacío, una guitarra punteada suspendida sonaría durante minutos, no segundos.

EDITAR: Más detalles

La pérdida de energía del sonido es un acoplamiento de modo directo y quita energía independientemente de la fricción interna. Pero puede estimar el grado en que la fricción interna es importante comparando el tiempo de timbre de los materiales con una fricción interna insignificante para la propagación del sonido --- materiales cristalinos como los metales --- frente a polímeros complejos como la madera o el plástico, donde la propagación del sonido conduce a pérdidas porque las fuerzas restauradoras son parcialmente entrópicas.

Para una guitarra de cuerpo de acero con cuerdas de acero, no existe una vía plausible para que los modos de sonido decaigan rápidamente en el resonador, porque el acero es un material de cristal. Para obtener una estimación de las pérdidas internas en la madera, compare el tiempo de resonancia de una guitarra con cuerpo de acero de notas/acordes y una guitarra de madera en el aire. Las pérdidas por fricción de la guitarra de madera se estiman por el tiempo de caída del tono en una guitarra de madera frente a un cuerpo de acero.

Aquí hay una demostración de cuerpo de acero: http://www.youtube.com/watch?v=tVx62GpWKOE

No escucho mucho menos descomposición en el metal, así que asumo que las pérdidas internas en la madera son pequeñas en comparación con la energía del sonido radiada.

Si bien creo que lo que dices es probablemente cierto, no puedo interpretar que tenga buenos argumentos para justificarlo. Sabemos que hay una cantidad significativa de energía disipada en el aire porque podemos escucharla, pero no tenemos una buena base para decir que la energía térmica es considerablemente menor o menor. Creo que es menos, simplemente no puedo demostrarlo.
@Zassounotsukushi: Estoy seguro de que tiene razón. Mi pensamiento fue el siguiente: para generar calor, se necesita el deslizamiento interno de las paredes del dominio o las uniones de polímeros, o el roce de las partes, como una cuerda de violín contra el puente. Los efectos de fricción están en los nodos, por lo que son asintóticamente insignificantes: la pérdida llega a cero con la amplitud, y lo ignoraré. Para un violín/guitarra con cuerpo de metal y cuerdas de metal, no habrá deslizamiento interno y la respuesta es correcta. Para madera y catgut, la respuesta probablemente sea diferente. Modificaré la respuesta para reflejar esto.
@Zassounotsukushi: Por supuesto, me perdí lo que probablemente sea el método de decaimiento dominante para las ondas sonoras: el flujo de calor de las regiones más calientes a las más frías en la compresión adiabática. Este tipo de amortiguamiento es diferente en la madera y en el metal debido a las diferentes conductividades térmicas, pero el metal es un mejor conductor del calor, por lo que tendría una atenuación más rápida. Tendré que reconsiderar esta respuesta.
@Zassounotsukushi: No me lo perdí --- es la parte entrópica de la fuerza restauradora la que determina los gradientes de temperatura en la onda de sonido, solo tuve un lapsus mental.
Esta atenuación es insignificante, el sonido es demasiado rápido en comparación con el flujo térmico. Pero, sin embargo, voté en contra, porque te volviste a retirar. Recomiendo leer todo el hilo antes de responder. La demostración de física clásica es un monocordio en un bloque sólido de madera dura, que muestra la amortiguación de todo menos la transferencia de sonido al cuerpo y al aire.
@Georg: esta atenuación posiblemente no sea despreciable en el vacío, donde no hay radiación de sonido. Esta es una de las razones del decaimiento en minutos. ¿Cuál es el mecanismo de amortiguamiento en un violín en el vacío? Son los cambios irreversibles en el violín, como dice Vladimir. Esta es la pregunta. Creo que el mecanismo principal es el movimiento de defectos en el metal, pero la transferencia de calor en la madera, donde hay expansiones y compresiones de polímeros que conducen a un gradiente de temperatura.
Al excluir el sonido del aire por vacío, supongo que la siguiente amortiguación más importante surgiría de los componentes inelásticos del cuerpo de madera. Esta es una madera de abeto (o similar), bastante ligera pero también bastante blanda.
""en madera, donde hay expansiones poliméricas"" Te recomiendo Leer sobre estructura de maderas. Comprenderás entonces por qué los violines están hechos de madera y no de goma. ¡Piensa en el sonido de los xilófonos!
@George: ¿Qué son estos "componentes inelásticos"? ¿Qué es inelástico? Debe haber movimiento interno, y debe ser frotamiento mecánico de partes grandes o frotamiento mecánico de partes microscópicas. El roce de partes microscópicas no ocurrirá en una red, requiere cambios conformacionales irreversibles, lo cual es entropía. Creo que no tienes razón. Además, no es bueno decirle a alguien que "lea" sobre algo, simplemente diga lo que es. ¿Estás diciendo que no hay expansiones de polímeros en la madera? Eso no es cierto. ¿Dices que son reversibles? Tal vez, no lo creo.
Estos componentes inelásticos no son más que "realidad". Incluso una esfera de vidrio o una bola de acero no son perfectamente elásticas, en la vibración/impacto siempre se disipa una pequeña cantidad de energía. Las razones de esto son tan diferentes como lo son los sólidos :=( La policristalinidad o las imperfecciones del cristal a menudo juegan un papel.

La fricción no solo proviene del aire, proviene de dos fuentes.

  1. Arrastre en el aire, lo que hace que el calor y el sonido
  2. Fricción en la propia cuerda.

Para que la vibración funcione en primer lugar, la cuerda debe ser estirable. A medida que se estira, la tensión aumenta. Cuando vibra en ondas estacionarias, oscila entre un estado de alta tensión y sin velocidad a un estado de baja tensión y alta velocidad.

Aunque el sistema se ve diferente, podemos tratarlo de manera bastante similar a un sistema de oscilador armónico amortiguado normal. Puedes decir que la cuerda comienza estirada hasta cierto punto, yo o y tensión F o . No es raro tratar este sistema con una fuerza de arrastre proporcional a la "velocidad" , aunque sugeriría una definición superficial de velocidad en este caso, que es la tasa de contracción o elongación de la cuerda con el tiempo.

F = F 0 k ( yo yo o ) C d yo d t

Esta ecuación, sin embargo, no es una ecuación diferencial completa. Esto se debe a que lo estoy usando de forma análoga a una masa en un resorte, y qué usar en lugar de la masa no es obvio. No entraré en eso porque no estoy seguro de cuántos detalles se necesitan.

Básicamente, la energía todavía se disipa como calor en la cuerda. El calor se almacena allí a menos que se irradie. La cuerda eventualmente dejará de oscilar, aunque durará más que si estuviera en el aire. Obviamente, no se produce música a menos que consideres las vibraciones en las estructuras del violín y cualquier otra cosa que esté tocando la música.

Muchas declaraciones incorrectas. En una cuerda, no hay fricción. La fricción con el aire es insignificante, como verá cuando experimente con un monocorde. La amortiguación se produce casi exclusivamente por transferencia de vibración al cuerpo del instrumento y de allí al aire como sonido. Olvidar este propósito principal de los instrumentos de cuerda es ridículo.
@Georg Es correcto que esta respuesta esté escrita para una cuerda vibrante, sin nada específico para que sea un violín. Esto reflejaría con mayor precisión un instrumento punteado. También me preocupa que alguien que lea su comentario capte nociones físicas incorrectas. ¿No hay fricción en una cuerda? ¡Sí, sí, una cuerda debe tener fricción al oscilar!
@Georg Considere: si la fuente principal de elasticidad es la caja del instrumento, entonces la selección de la caja, no la cuerda, determinaría el tono. La cantidad de elasticidad (que sí, es una combinación de la cuerda y la caja) determina la frecuencia de vibración (además del modo de vibración). Sabemos por experiencia que el tipo de cuerda determina la nota, que es todo el principio de una guitarra. La fuente de elasticidad es probablemente también la fuente de disipación de energía en ausencia de aire.
Querido Zas, esa "fuente primaria de elasticidad" es idea tuya, no mía. Tenga en cuenta que los instrumentos de cuerda están hechos para generar sonido. Esta energía de sonido se crea mediante el punteo o el arco, luego se transfiere mediante esa "silla de montar" o "puente" al cuerpo, que actúa como una membrana para irradiar ondas de aire. Espero que estos hechos bastante comunes te iluminen.
@Georg, su opinión es que la fuente principal de amortiguación, además del aire, es la transferencia de energía a las estructuras del instrumento. Esto no es compatible y creo que está mal. Cuando el tirón le da a la cuerda un ligero empujón, esta se mueve, demostrando el hecho de que hay cesión en el sistema. Ese ceder está en la cuerda y, de manera similar, la energía térmica se deposita en la cuerda. Y sí, el sonido lo genera el movimiento de las cuerdas. Decir que cualquier parte del cuerpo sólido del instrumento es una "membrana para irradiar ondas de aire" va a ser un error por muy generosa que sea mi interpretación.
@Zassounotsukushi: Georg no está diciendo que la amortiguación sea una transferencia de energía a las estructuras de los instrumentos --- la amortiguación se transfiere al aire a través de las vibraciones de las estructuras de los instrumentos. El cuerpo del instrumento está diseñado para ser una membrana para irradiar ondas de aire. Esta es la razón por la cual una guitarra es ruidosa y una guitarra eléctrica sin amplificar es inaudible (y las vibraciones en una guitarra eléctrica duran mucho más). La pregunta que queda es cuál es la principal fuente de fricción, en ausencia de radiación de sonido del aire.
@RonMaimon El cuerpo del instrumento juega un papel, pero en el caso de una guitarra acústica, ¿no es solo por la acústica, el reflejo de las ondas de sonido? La implicación que he estado abordando es que el cuerpo vibra y produce un sonido significativo debido a las vibraciones que viajan a través del lugar al que están atadas las cuerdas, hacia la madera. El argumento es si la cuerda es como una cuerda inelástica atada a un resorte (Georg) o si contiene elasticidad en toda su longitud (yo).
@Zassounotsukushi: Lo entendí. Jorge tiene razón. La onda de sonido es producida por el propio cuerpo del instrumento --- los reflejos no hacen que la intensidad de la onda sea más fuerte en general. El cuerpo vibra y produce casi todo el sonido debido a las vibraciones transferidas a través del lugar donde se atan las cuerdas a la madera. Este es todo el propósito de la madera, actuar como un resonador. El modo de acoplamiento de la cuerda al cuerpo es muy fuerte. Sería imposible evitar que el cuerpo temblara.
@RonMaimon Genial, ese es un buen argumento, ya que tenemos evidencia de que la estructura afecta el volumen. Pero vuelvo a mi punto anterior, ¿no implicaría eso que la selección de cuerdas no determina el tono? ¿No implicaría eso también que las cuerdas de la guitarra se verían afectadas por la vibración de todas las demás cuerdas, ya que las vibraciones viajan a través del instrumento? Si las cuerdas son inelásticas, la densidad de masa lineal sería lo único que diferencia los diferentes tipos de cuerdas. ¿Sería eso consistente con su comprensión física?
¡Esta guitarra eléctrica es un muy buen ejemplo! No hay necesidad de un monocordio poco común de las colecciones de física.
@Zas ""Si las cuerdas son inelásticas,"" ¡No lo son! Eche un vistazo a algún libro de física sobre vibraciones de cuerdas. ¡La razón para no resonar (mucho) junto con alguna cuerda vecina es la resonancia (selectiva)! ¡Las cuerdas están afinadas a diferentes frecuencias! Espero con ansias las "razones" que darás a continuación.
@Georg ¡Todo mi argumento es que las cuerdas son elásticas! Digo "si esto, estas implicaciones siguen", no estaba diciendo que creo eso. Estaba representando lo que pensé que diste como tu punto de vista. Entonces, ¿crees que las cuerdas son elásticas ahora?
Sin comentarios más

Bueno, en lo que respecta a mi intuición, la fricción del aire no debería causar mucha amortiguación en la cuerda vibrante del violín, aunque seguramente juega un papel pequeño en la amortiguación. Para velocidades del oscilador no tan grandes (no causan turbulencia) ciertamente existe una fuerza de fricción en un medio viscoso, como el aire, que es proporcional a la velocidad como F = b v donde b es una constante de proporcionalidad que depende del medio y del objeto.

La mayor amortiguación, como creo, debería deberse al calentamiento de la cuerda. Otra fuente de amortiguamiento será la transferencia de energía al instrumento (como señaló Georg).

La mayor parte de la energía produce sonido.
@Zassounotsukushi: el enlace puede llevarlo a algunas fuentes más serias.
Lo digo en serio, y la fuente que proporciona no da una respuesta para la amortiguación no sónica (que creo que es cero para todos los efectos). -1, amigo.
Lo siento, Ron, si te he lastimado. De hecho, aprecié su punto de vista, pero acabo de encontrar una investigación que, por supuesto, directamente puede no proporcionar una respuesta, puede conducir a una respuesta. Publiqué el comentario debajo de mi publicación, por lo tanto, el término "seriedad" no fue para usted, sino con respecto a mi respuesta. Pero de todos modos, mi error ya que se volvió de esa manera, que no fue mi intención, amigo.
@mehulpht: No estaba lastimado --- estaba molesto. Estaba claro que no te molestaste en leer tu propio enlace. ¿Dónde están los datos que responden a la pregunta? Desea saber cuál es el porcentaje de amortiguamiento debido a la producción de sonido y el porcentaje debido a la fricción. Pero la fuente se trata de medir la frecuencia y la amortiguación de varios modos en el aire, para reproducir el ataque y el sostenido de un violín punteado. Dar una referencia densa e irrelevante desperdicia el tiempo de las personas, así que -1.