Física del silbato

Consideremos el tipo de silbato específico que se muestra en la pregunta.

Cuando hacemos sonar el silbato, el aire se ve obligado a salir a través de la estrecha abertura. El flujo de aire en el centro de la corriente es significativamente más rápido que el aire vecino cerca de la corriente principal. Si la corriente de aire se desvía fácilmente (inestable), se generan vórtices. Si sucede lo mismo repetidamente, se generarán muchos más vórtices con propiedades similares. Estos vórtices hacen que la presión del aire varíe de forma periódica, por lo que se produce una onda de sonido. La frecuencia de esta onda de sonido está relacionada con la velocidad a la que se desprenden los vórtices. Dado que el proceso es bastante caótico, se producen muchas tasas o frecuencias diferentes a la vez.

Como puede ver en la imagen, la transmisión se divide en dos partes. Una parte sale por la abertura y la otra parte queda adentro. Las ondas de sonido atrapadas en el interior interferirán entre sí. Si la frecuencia del sonido no coincide con ninguna de las frecuencias resonantes de la cámara, las ondas interferirán destructivamente y desaparecerán rápidamente. Sin embargo, si la frecuencia coincide con la frecuencia resonante de la cavidad, la amplitud de la onda aumentará con el tiempo. La tasa de aumento disminuirá a medida que aumente la amplitud. Eventualmente alcanzará un estado estable. En este punto, la amplitud de la onda de sonido es lo suficientemente fuerte como para que el sonido se vuelva muy audible. La onda de sonido sale del agujero, se dispersa fuertemente y finalmente llega a nuestros oídos.

Algunos silbatos tienen una pequeña pelota que rebota dentro de la cavidad. La bola cambia la forma de la cavidad y al mismo tiempo las frecuencias de resonancia. Por lo tanto, nos permite escuchar un rango más amplio de frecuencia de sonido.

Estas cosas generalmente funcionan por retroalimentación que causa cambios de presión, que luego hacen que el flujo original sea redirigido, lo que luego tiene el efecto opuesto en la presión, etc.

Esto es más fácil de pensar cuando se considera un silbato de pelota común, como lo hacen los entrenadores atléticos y los árbitros. La parte en la que sopla tiene una ranura delgada, que hace que una lámina laminar de aire atraviese una abertura, pero que luego continúa hacia la parte redonda. Sin embargo, no hay otra abertura en la parte redonda, por lo que finalmente la presión se acumula y esta presión "atraviesa" la hoja laminar que "cubrió" la abertura. Esto permite que la presión se libere a través de la abertura, lo que también redirige el aire de la boquilla para que no entre en la parte redonda. Luego, la presión en el silbato cae, la hoja laminar puede volver a formarse o reanudar su flujo original no redirigido, lo que hace que la presión se acumule nuevamente, etc.

La pelota dentro del silbato no es necesaria para hacer sonido. Interrumpe periódicamente el proceso anterior, modulando efectivamente la frecuencia del silbato a una frecuencia mucho más baja. No estoy seguro de por qué exactamente se hace esto, pero creo que el sonido con la pelota es más interesante o llama la atención o es más fácil de localizar para los humanos.

Ha habido una confusión interminable sobre cómo funciona realmente este tipo de silbato. Si investiga el patrón de flujo, verá el tipo de patrones de vórtice en su imagen, pero eso no significa necesariamente que los vórtices causen el sonido. De hecho, lo contrario es cierto: ¡el sonido causa los vórtices!

La explicación básica (que también se aplica a los tubos de órgano e instrumentos musicales como el silbato de hojalata y la flauta dulce) depende del principio de Bernouilli. Es más sencillo pensar en hacer un sonido soplando sobre el extremo abierto de una botella, porque la parte del "tubo" del silbato es realmente la misma que la botella doblada 90 grados. Lo importante no es que soples "dentro de la tubería", sino que soples "a través del agujero al final de la tubería".

Cuando sopla a través de una botella, la presión en la corriente de aire en movimiento disminuye y algo de aire es "succionado" de la botella hacia la corriente de aire de baja presión.

Sin embargo, el aire adicional que se fusiona con la corriente de aire desvía la corriente de aire de la boca de la botella, lo que reduce la cantidad de "succión".

El aire dentro de la botella tiene una frecuencia natural de vibración, que depende del tamaño y la forma de la botella. Esta vibración es provocada por el cambio repentino de presión en la boca de la botella y, después de medio ciclo de vibración, actúa para succionar algo de aire hacia la botella. Eso atrae la corriente de aire que está soplando a través de la botella hacia la boca de la botella y el ciclo se repite.

El parámetro crítico aquí es el tiempo que tarda la corriente de aire soplado en viajar a través de la boca de la botella , en comparación con el tiempo de un ciclo de vibración del aire dentro de la botella. Si los dos intervalos de tiempo tienen la relación correcta, las oscilaciones pueden acumularse en amplitud. Esto explica por qué si sopla suavemente (baja velocidad), no produce ningún sonido, y si sopla gradualmente más fuerte, de repente comienza el sonido. Dependiendo de la geometría de todo el sistema, si sopla muy fuerte, el sonido puede "saltar" a una frecuencia más alta diferente. De hecho, es posible ajustar un tubo de órgano para que produzca sucesivamente un sonido con 3 o 4 tonos diferentes, dependiendo de la presión del viento (y por lo tanto de la velocidad del aire) que se utiliza para soplarlo.

Los vórtices son simplemente subproductos de la corriente de aire oscilante que golpea el borde de la boca de la botella.

Las explicaciones "erróneas" parten de la observación correcta de que simplemente soplar un chorro de aire a través de una boquilla puede producir un patrón de vórtices, que pueden repetirse a una frecuencia definida. Pero para la geometría y la presión de soplo de un silbato típico, la frecuencia de ese patrón de vórtice (si es que existe) es muy diferente de la frecuencia del sonido producido por el silbato, y es difícil inventar una buena razón por la cual los vórtices debe causar el sonido.

El aire en una cámara resuena como un resorte: tiene masa y regresa cuando se comprime o se descomprime. Cuando se sopla aire a través de la abertura, y ligeramente hacia abajo, empujará el aire del interior hacia abajo y causará una perturbación que hará que el aire del interior comience a resonar. A medida que resuena, desvía la corriente de aire hacia la abertura, empujando el aire más hacia abajo. A medida que el aire del interior retrocede, desvía la corriente de aire hacia arriba, por lo que ya no empuja hacia abajo. También arrastra el aire del interior por el efecto Bernoulli, lo que ayuda a sacar el aire del interior hacia arriba. Cualquier vórtice formado es incidental.