¿Qué impide que el sonido sea sólo viento?

Su punto 1 es correcto y la respuesta se basa en eso. Sí, hay un umbral impuesto al principio. El sonido no comienza sin que algo vibre. Tiene que haber una fuente de vibración como la membrana de un tambor. Vibra y, a su vez, pone en vibración el aire circundante. Para la segunda duda, usted mismo dijo que el sonido se debe a las oscilaciones. Las moléculas vibran alrededor de su posición inicial. Cuando son golpeados por los vecinos, van en una dirección y debido a la inercia y a la elasticidad (fuerzas intermoleculares) regresan a su posición inicial en la otra dirección. El sonido no se puede generar en un medio que no tenga inercia o elasticidad (vacío). Entonces, el sonido (onda) no es viento porque nunca hay un desplazamiento neto de materia, solo una oscilación.

Vemos ondas de sonido en regiones donde es razonable tratar el aire como un medio elástico. La velocidad de propagación en este medio está definida por$\sqrt{\frac{K_s}{\rho}}$, dónde$\rho$es la densidad y$K_s$es el coeficiente de rigidez. Para los gases, este coeficiente es el módulo volumétrico , que es la relación del cambio infinitesimal en la presión debido a una disminución relativa en el volumen ($K_s=-V\frac{dP}{dV}$).

Siempre que el aire se comporte de manera elástica, podemos usar estas ecuaciones y otras para derivar el comportamiento de las ondas vibratorias en el aire. Sin embargo, este modelo se desmorona cuando dejamos la región donde se comporta elásticamente. Esto ocurre cuando comienzas a viajar lo suficientemente rápido (naturalmente, alrededor de la velocidad del sonido es el umbral).

Pensemos en nuestro altavoz. La superficie del altavoz en realidad no viaja a la velocidad del sonido. Viaja a una velocidad menor definida por la amplitud y frecuencia del sonido. La posición del hablante es$x=A\cos\omega t$, entonces la velocidad es$v=A\omega\sin\omega t$, esto significa que la velocidad máxima del altavoz es$A\omega$. Esta es también la velocidad máxima de cualquier partícula de aire desplazada por la ola. La onda en sí se mueve a la velocidad del sonido, pero las partículas individuales se mueven a un máximo de$A\omega$.

Mientras$A\omega$es pequeño, es muy razonable modelar el aire como un medio elástico, por lo que vemos una propagación de onda normal. Sin embargo, a medida que aumenta su amplitud o frecuencia (o el producto de ambas), también aumenta la velocidad del altavoz y la velocidad del aire que forma la onda sonora. Como$A\omega$alcanza la velocidad del sonido, ya no es razonable suponer que el aire es elástico.$-V\frac{dP}{dV}$deja de ser una constante y empezamos a ver efectos no lineales. Estos efectos no lineales se conocen coloquialmente como "la barrera del sonido". Este es el umbral que está intuyendo, y claramente depende tanto de la amplitud como de la velocidad.

Manteniéndose por debajo de este efecto, ahora es seguro usar las ecuaciones elásticas para describir las ondas transversales. Ahora podemos responder a su pregunta sobre qué diferencia las ondas sonoras del viento. Ambos son efectos de presión, sin duda, pero las ondas de sonido son un caso especial en el que la fuente de la presión está bien modelada como una fuente cíclica. Los sonidos de impulso, como un disparo, se extienden a ambos lados de esta línea. Se pueden ver como una onda de sonido de amplio espectro o como un viento de presión muy fuerte. Usamos la primera imagen cuando hablamos de lo que escuchamos, y la primera para mostrar lo que hace para empujar la bala hacia adelante.

También podemos responder a su pregunta sobre por qué el aire no se llena al revés. Si podemos suponer un medio elástico, sabemos que la posición y la velocidad de los movimientos de cualquier partícula son una función del coseno y el seno, respectivamente. Con esto, podemos ver que la razón por la que el aire solo se llena desde un lado es que el aire del otro lado está en proceso de alejarse de ese vacío en ese momento. De hecho, ese aire se ralentiza por este vacío hasta detenerse, ¡y eso es lo que da forma al próximo ciclo de la ola!

Su pregunta no me queda del todo clara, en particular lo que quiere decir con "solo viento". El sonido es una onda de presión y sus puntos 1, 2 y 3 son consistentes entre sí y todos verdaderos.

Lo que es importante tener en cuenta es que el sonido se describe con la referencia de lo que los humanos pueden percibir e interpretar y, por lo tanto, los límites en amplitud y frecuencia (es decir, lo que significa "ultra" o "infra" sonido) son arbitrarios.

En cuanto al umbral que menciona, hay algunos aspectos diferentes a considerar, uno está relacionado con la viscosidad del medio. Lo que impide que se propaguen amplitudes muy pequeñas es una atenuación muy rápida de la onda. Esto se describe (para la mayoría de las frecuencias prácticas) por la ley de atenuación del sonido de Stokes:

dónde$A(d)$es la amplitud a distancia$d$y$\alpha$Se define como:

dónde$\eta$es el coeficiente de viscosidad dinámica del fluido,$\omega$es la frecuencia del sonido (o pulsación),$\rho$es la densidad del fluido, y$V$es la velocidad del sonido en el medio. Entonces, el sonido con una amplitud muy pequeña desaparece muy rápidamente.

En cuanto a su segundo punto, debe considerar una simplificación de 2 dimensiones o una onda plana ideal donde no hay otras moléculas para llenar el espacio que no sean las que se desplazaron inicialmente. O puede considerar una onda esférica, donde nuevamente, si la presión aumenta uniformemente en una región esférica, las mismas moléculas llenarán el espacio dejado por el retiro de la membrana.

Ir a la opción 1 es correcto. y sí el umbral se impone al principio. y como en el caso de las ondas ya sea sonido o también durante la conducción del calor en el metal, no es la molécula la que avanza sino la vibración de la molécula en su posición inicial y la vibración avanza.