¿Qué es el sonido?

Observa a tu alrededor y, con lo que tengas a mano, genera un sonido sin utilizar tu voz. ¿Cómo lo hiciste? Descríbelo.
Ahora, consigue un globo e ínflalo hasta la mitad de su capacidad. Luego, con tus dedos, separa la boquilla del globo para que salga lentamente el aire, tal como se muestra en la imagen. Finalmente, responde las siguientes preguntas:

¿De qué manera el globo generó el sonido? Fundamenta.

¿Qué ocurre con el globo a medida que sale el aire y se produce el sonido? Explica.
¿Crees que cualquier objeto puede generar sonidos?, ¿por qué?

El sonido ha sido descrito como un conjunto de vibraciones que conforman una o varias ondas, las cuales se propagan a través de un medio material elástico, hasta llegar a un receptor capaz de captar estas ondas e interpretarlas. Este proceso puede ser caracterizado por tres elementos fundamentales: la fuente sonora, el medio de propagación del sonido y el receptor.

Modelo que intenta representar el origen y la propagación del sonido.

Fuentes sonoras

En la antigüedad, el ser humano imitaba el sonido de los animales y de la naturaleza con su propia voz. Luego, comenzó a crear, con elementos que tenía a su disposición, instrumentos que le permitieron emitir sonidos un poco más elaborados hasta llegar a la construcción de los primeros instrumentos musicales como fuente sonora. Pero ¿qué caracteriza una fuente sonora?

De manera general, estas fuentes son capaces de producir un conjunto de vibraciones que generan un sonido. Por ejemplo, una gotera, un papel arrugándose o el golpe de una cuchara al caer al suelo podrían ser consideradas fuentes de sonido; sin embargo, existen fuentes mucho más convencionales, como la voz y los instrumentos musicales. A continuación, se intenta explicar cómo funcionan algunas de estas fuentes emisoras de sonidos.

Instrumentos musicales

La ciencia y la tecnología están influenciadas por el contexto cultural. ¿Cómo se ve reflejado lo anterior en la fabricación de estos instrumentos? ¿Qué rol cumple el conocimiento que se tiene en torno a un fenómeno como el sonido y el desarrollo de instrumentos tecnológicos? ¿Qué relación se establece entre ciencia y tecnología?

Se estima que los primeros instrumentos musicales datan de 3000 años antes de Cristo. Con el tiempo, y ya más familiarizados con la utilización de estos objetos, los seres humanos empezaron a crear música, casi siempre con motivos rituales, religiosos y de tributo a los dioses. Sin embargo, con el tiempo, los motivos de la elaboración de la música fueron evolucionando y diversificándose hasta llegar a fines más simples, como la recreación.

De manera general, un instrumento musical es un objeto compuesto por la combinación de uno o más sistemas resonantes, cuyo fin es la reproducción de sonidos en uno o más tonos para producir música. Si bien cualquier objeto que produzca sonido puede servir como instrumento musical, este término se reserva a aquellos que tienen específicamente dicho propósito.

Flauta hecha de hueso, datada de la era paleolítica.

Los primeros instrumentos musicales estaban confeccionados de hueso o cuerno de animal, así como también de piedras y palos. A medida que fue pasando el tiempo, el ser humano comenzó a utilizar otros elementos para fabricarlos, evolucionando con ello tanto su fabricación como su complejidad, y sobre todo la calidad del sonido que emitían, cada vez más armónico.

En la actualidad, la clasificación más conocida que se utiliza de los instrumentos musicales es aquella que los agrupa en instrumentos de viento, de cuerda y de percusión. Sin embargo, como en las últimas décadas se ha masificado el uso de componentes electrónicos, se ha creado una nueva categorización: la de los instrumentos eléctricos.

La voz

La voz humana es considerada el instrumento musical más antiguo de todos los tiempos. Además, es la forma de comunicación actual más utilizada, pero ¿cómo somos capaces de producirla?

En el siguiente esquema, se explica lo que ocurre al emitir sonidos a partir de nuestras cuerdas vocales.

El proceso para generar la voz comienza cuando el aire, proveniente de los pulmones, pasa por la laringe, y hace vibrar las cuerdas vocales, lo que origina un leve sonido.

Las pequeñas vibraciones producidas en las cuerdas vocales son amplificadas por la caja de resonancia, que involucra la faringe, la cavidad nasal y la cavidad oral.

Finalmente, para convertir los sonidos en palabras, intervienen los labios, los dientes, la lengua y el paladar.

Las cuerdas vocales

Le evidencia científica ha permitido establecer que la estructura directamente responsable de la producción de la voz humana son las cuerdas vocales. En realidad, las cuerdas vocales no están conformadas por cuerdas, como podría pensarse, sino por una serie de cuatro repliegues. Dos de ellos, los pliegues vestibulares, se encargan, entre otras cosas, de impedir el paso de cuerpos extraños hacia la tráquea y no están involucrados en la producción de la voz, razón por la cual son llamados pliegues falsos. Los otros dos, los pliegues vocales, son los encargados de producir los sonidos; de ahí que sean llamados pliegues verdaderos.

Cuerdas vocales

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A pesar de que se sabe que cada par de cuerdas tiene una función determinada, existen algunos cantantes que, además de utilizar sus cuerdas vocales para cantar, emplean los pliegues ventriculares para “rasgar” la voz, o bien para lograr una mayor variedad de tonos en su rango vocal. Esta técnica puede ser lograda por muy pocos cantantes, por ejemplo Eddie Vedder, vocalista de Pearl Jam; Chester Bennington, de Linkin Park y Freddie Mercury, de Queen, entre otros. ¿Crees que los científicos realizan estudios sobre la capacidad vocal o sobre las características de la voz como la de los contantes señalados? ¿De qué otra forma podríamos saber todo lo que conocemos?

Recuerda que la ciencia es una construcción humana, por lo tanto, está expuesta a intereses y filtros culturales que existen donde se desarrolla.

Investigar sobre las características de los sonidos de los animales

Reúnanse en parejas y realicen lo siguiente.

Investiguen, en fuentes confiables de Internet, sobre el proceso de emisión de sonidos de los animales. En particular, busquen información referida a las jirafas.
Establezcan la diferencia entre el sonido que emiten los siguientes animales: gato, pato, oveja, pollo y vaca, y las onomatopeyas con que representamos dichos sonidos. Luego, construyan una tabla en que registren dichas diferencias.

Finalmente, reflexionen en torno a las siguientes preguntas.

¿Les parece interesante estudiar estas características de los animales?, ¿por qué?
¿Qué área de las ciencias piensan que estudia esta característica de los animales? Fundamenten.
¿Qué tan importante consideras que la investigación bibliográfica durante el proceso de construcción científico? Argumenta.

Propagación del sonido

Para propagarse, todo sonido necesita de un medio material elástico, es decir, cualquier medio que contenga partículas que puedan ser perturbadas por la transmisión de energía. Dichos medios materiales pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.

Cuando un sonido viaja, se propaga a través de un medio gaseoso como el aire como onda longitudinal, de manera que se pueden distinguir dos zonas en el medio: las zonas de compresión, donde las partículas están más juntas; y las zonas de rarefacción, donde las partículas están más separadas. En el siguiente esquema se representan dichas zonas cuando las partículas del medio son perturbadas por un sonido.

Si quisiéramos representar gráficamente las zonas de compresión y rarefacción por medio de una onda transversal en un instante dado, las zonas de compresión estarían representadas por los montes y las zonas de rarefacción estarían representadas por los valles de la gráfica.

Planificar un diseño experimental

¿En qué materiales se propaga mejor el sonido: sólidos, líquidos o gaseosos? Reunidos en grupos de 3 a 4 integrantes, realicen la siguiente actividad:

Piensen en cómo les gustaría llevar a cabo una investigación respecto de la pregunta plateada.
Formulen una pregunta de investigación que les permita establecer una relación entre variables y que pueda ser evidenciada por medio de una actividad experimental.
Diseñen un procedimiento que les permita responder la pregunta de investigación. ¿Qué resultados esperarían obtener?

Luego, reúnanse como curso y reflexionen en torno a las siguientes preguntas.

¿De qué factores depende que el resultado obtenido sea el que efectivamente se espera?
¿En cuántas investigaciones científicas se tiene certeza de que el hallazgo es fruto del primer resultado encontrado?
¿Qué sucedería si, al ejecutar la actividad experimental, los resultados no permitieran dar respuesta a la pregunta de investigación?

El sonido en el vacío

La primera persona de la que se sabe que estudió la naturaleza del sonido fue Pitágoras, en la Antigua Grecia, en el siglo VI a.C. Este filósofo y matemático helénico logró explicar matemáticamente el comportamiento del sonido, sin embargo, no pudo explicar cómo este se propaga a través de los distintos medios. Más tarde, fueron varios los científicos y pensadores que describieron el sonido y sus propiedades, pero no fue hasta el año 1658 aproximadamente que se tuvo mayor certeza de que el sonido necesita de un medio material para propagarse. Esta particularidad del sonido fue descubierta por el científico inglés Robert Boyle y su ayudante Robert Hooke mientras estudiaban las propiedades de los gases. Pero, ¿cómo pudieron descubrir que el sonido solo se puede propagar por medios materiales estudiando las propiedades de los gases?

Boyle y su ayudante diseñaron diversos experimentos con el objetivo de encontrar la relación entre el volumen y la presión de un gas. Para ello, utilizaron un dispositivo desarrollado por el físico Robert Hooke que consistía en un recipiente hermético de vidrio, como el que se muestra en la imagen, con mangueras para retirar el aire de su interior. Dicho dispositivo les permitió estudiar el comportamiento de los gases.

¿Cómo es posible que un experimento en química permita evidenciar características de un fenómeno físico? ¿Qué tan a menudo piensas que ocurre esto entre las distintas disciplinas? Recuerda que el pensamiento científico se construye a partir del trabajo colaborativo de comunidades científicas, las cuales pueden surgir de las investigaciones de diferentes ramas de la ciencia.

Ilustración de la bomba de aire construida por Boyle.

En una de estas tantas experiencias, Boyle colgó una campanilla sobre una columna que contenía mercurio ubicada en medio del recipiente. Al variar el contenido del mercurio dentro de la columna e ir extrayendo el aire presente en el interior del recipiente, la campanilla vibraba, emitiendo un sonido que podía ser escuchado desde el exterior. Los científicos observaron que, a medida que el aire se iba extrayendo, el sonido de la campanilla se escuchaba cada vez menos, hasta llegar a un punto en que dejaban de escuchar el sonido de la campanilla a pesar de que esta continuaba vibrando. A partir de esto, infirieron que, si no existía aire dentro del recipiente, tampoco existían partículas por las cuales pudiera propagarse el sonido. Con esto, comprobaron que el sonido no puede propagarse en el vacío, por tanto, necesita de un medio material, ya sea sólido, líquido o gaseoso para su transmisión.

Posteriormente, y como lo hacen la mayoría de los científicos, Robert Boyle puso a disposición de la comunidad los trabajos realizados sobre el estudio del comportamiento del sonido en ausencia de aire a través de la publicación titulada “Nuevos experimentos físicomecánicos sobre la elasticidad del aire y sus efectos”.

El conocimiento científico se construye, entre otras cosas, por medio de observaciones e inferencias. ¿Cómo se evidencian ambos aspectos en el trabajo realizado por Boyle y su ayudante?

¿Por qué Boyle y Hooke podían darse el tiempo para realizar estos procedimientos aparentemente ociosos? ¿Cómo influyó en el rigor científico de Boyle su pasión por la teología y el cristianismo?

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