Nuestros mejores divulgadores

¿Me escuchan?

Antonio M. Eff-Darwich Peña / 16-07-2012

Conecten los altavoces de su ordenador porque vamos a descubrir una forma diferente de observar el universo que nos rodea. La abrumadora mayoría de la información que recibimos nos entra por los ojos. ¿Qué ocurriría si fuese recopilada por nuestros oídos? Para ello vamos a transformar cualquier tipo de vibración, como la electromagnética (luz en cualquiera de sus colores) o la mecánica (por ejemplo un terremoto), en sonido.

Hay dos conceptos que debemos definir con claridad: el sonido, y nuestra capacidad de oír. El sonido en realidad no existe, ya que es una interpretación que hace nuestro cerebro de un fenómeno físico: la generación y transporte de ondas.

Fijémonos en lo que pasa al tirar una piedra en una piscina. Se forman unas olitas de forma circular cuyo centro está donde cayó la piedra. Esas olitas son ondas y se producen porque la piedra perturba el estado de reposo de la piscina. Al tirar la piedra inyectamos una energía a la piscina que ésta elimina mediante la formación de ondas. Explicado de una forma más ortodoxa, una onda corresponde a la propagación en el espacio y en el tiempo de una perturbación a un sistema. Cuando golpeo un tambor, la membrana de este instrumento se pone a vibrar (al igual que el agua de la piscina) para liberar el exceso de energía. Cuando ocurre un gran terremoto, la tierra vibra (como la piscina y el tambor) para liberar la energía que se ha acumulado en una falla.

Estos son ejemplos de ondas, pero a nosotros nos interesa el sonido. Los sonidos que escuchamos con nuestros oídos se asocian a ondas que se propagan por el aire. Obviamente si hay ondas en el aire debe haber inyecciones de energía a este medio. Por ejemplo, al tocar un tambor, su membrana vibra; esa vibración se transmite al aire en forma de ondas de sonido que son percibidas por nuestro oído.

Una vez definido el sonido, vamos a descubrir algunos de los secretos del oído. El oído es un órgano increíble. Pensamos siempre en la complejidad del ojo, pero el oído no se queda a la zaga, en absoluto. No les voy a describir su anatomía, simplemente escuchen esto . El tono de este sonido pasa de muy grave a muy agudo en un par de segundos. No parece nada espectacular, pero analicémoslo con más detalle. Al inicio de este sonido, la membrana de los altavoces de sus ordenadores están vibrando unas 20 veces por segundo. Esta vibración en forma de ondas llega a los tímpanos que vibrarán 20 veces por segundo. Dentro del oído, la vibración mecánica del tímpano es convertida en impulsos eléctricos que son interpretados por el cerebro como un tono grave. Al final del sonido que acaban de escuchar, la membrana del altavoz de sus ordenadores o equipo de música vibrará 20.000 veces por segundo, ¡al igual que hará el tímpano! De nuevo, esta vibración mecánica será convertida en eléctrica e interpretada por el cerebro como un tono agudo. En menos de dos segundos, el tímpano ha pasado de vibrar 20 veces por segundo (20 hertzios) a 20.000 veces por segundo (20.000 hertzios).

Esto es algo asombroso, más si lo comparamos con el ojo. Vimos, bueno oímos, que el tono más agudo que el oído percibe es 1.000 veces mayor (sé que lo de mayor no es muy correcto, pero interesa más el concepto general que el detalle) que el tono más grave. En el caso de la vista, los tonos son los colores, siendo los colores más ‘graves’ los rojos y los más ‘agudos’ los azules. Pues bien, el color más azul que el ojo puede percibir es sólo 2 veces mayor que el tono más rojo. Comparen: 2 veces para el ojo frente a 1.000 veces para el oído. Explicado de otra forma: si el ojo tuviera el rango de sensibilidades del oído, podríamos ver todos los colores del visible, pero además seríamos capaces de ver hasta los rayos X. En definitiva, no tendríamos nada que envidiar a Superman.

¿Hay animales capaces de oír o emitir sonidos por debajo de los 20 hertzios o por encima de los 20.000? Pues sí. Los sonidos por debajo de los 20 hertzios se llaman infrasonidos, y son usados por grandes mamíferos (ballenas, elefantes…) para comunicarse a grandes distancias, de hasta varios cientos de kilómetros para muchos de ellos. Los terremotos son en parte ondas de infrasonidos que hacen vibrar el terreno unas pocas veces por segundo, de ahí que caigan fuera de nuestro rango audible. Sin embargo, podemos tomar un registro sísmico y acelerarlo artificialmente mediante un programa informático para poder oírlo.

Bueno, no adelantemos acontecimientos y volvamos al oído. Los sonidos por encima de los 20.000 hertzios se llaman ultrasonidos y son usados, por ejemplo por delfines y murciélagos, para cazar. Estos animales emiten ultrasonidos y escuchan y localizan el reflejo o rebote de ese sonido en sus presas.


El Coyote, el Correcaminos y la increíble capacidad del oído

¿Quién no ha deseado que el Coyote hubiera atrapado más de una vez al odioso Correcaminos? ¿Quién no tiene grabado en la memoria al pobre Coyote cayendo por un enorme precipicio y ver sólo la polvareda que se levantaba cuando chocaba contra el suelo además de oír ese leve y casi imperceptible sonido seco del impacto?

Desgraciadamente, cuando uno crece y se dedica a estudiar Física, analiza la caída del pobre Coyote desde otro punto de vista. El coyote es un objeto de simetría esférica (en primera aproximación) con una masa de unos 30 kilogramos suspendido a una altura de unos 100 metros (el precipicio). Justo cuando el pobre Coyote se da cuenta de que va a empezar a caer, la energía de la que dispone es su energía potencial gravitatoria, básicamente su masa por la altura a la que está, unos 30.000 julios.

El julio es una unidad de energía de la que no vamos a contar mucho más, simplemente nos permitirá tener una unidad de medida común para definir los fenómenos energéticos asociados al Coyote. Cuando el pobre animal toca el suelo, la energía inicial gravitatoria se convierte parte en energía térmica, parte en energía cinética necesaria para que los trozos del Coyote salgan despedidos y parte es usada para generar el sonido del impacto. Recuerden que el sonido es casi imperceptible (como un susurro) cuando lo escuchamos, por lo que podemos asumir que debe ser del orden de unos 30 decibelios (unidad de medida de la intensidad del sonido). ¿Y qué es eso de 30 decibelios? Esto significa que cada segundo nuestro oído recibe del orden de una billonésima (10-12) parte de un julio de energía, literalmente nada comparado con la energía inicial gravitatoria del Coyote, de unos 30.000 julios. Esta ínfima cantidad de energía asociada a la onda de sonido es capaz de mover el aire (por el cual se desplaza) una distancia equivalente al diámetro de un átomo. O sea, al escuchar el susurro del impacto del Coyote nuestro oído está midiendo desplazamientos del aire del tamaño ¡de un átomo!

Nuestro oído es ciertamente sensible, pero ¿qué intensidad de sonido es capaz de soportar? Pues, más o menos nos quedaríamos sordos si la intensidad del sonido fuera de unos 140 decibelios. Como el decibelio no es una unidad lineal, sino logarítmica, esos 140 decibelios equivaldrían a que el Coyote, es su desesperación, cayese al fondo del precipicio llevando adosada una carga de 80 toneladas de dinamita.


¡Conviértase en sismólogo en sólo cinco minutos!

¿Cuántas cosas podemos conocer de un objeto si lo escuchamos o, dicho de otra forma, si medimos sus patrones de vibración? A esta pregunta intenta responder la Sismología. Cuando pensamos en sismología, nos viene a la cabeza la palabra terremoto. Sin embargo, en realidad, cubre múltiples facetas como la búsqueda de recursos minerales, la exploración de otros planetas rocosos (y no tan rocosos) y el estudio del Sol (Helio-sismología) y otras estrellas (Astro-sismología) mediante el análisis de ondas sísmicas.

En definitiva, la Sismología intenta definir un determinado objeto estudiando el modo en que vibra. No vibrará igual un terreno que encierra una bolsa de petróleo o de agua, que un terreno donde no hay nada interesante bajo el suelo. No vibra igual el Sol que Alpha-Centauri o Júpiter que Saturno. Lo más interesante de esta ciencia es que nos desvela secretos del interior de objetos que de otra forma serían invisibles o inalcanzables. En este sentido tiene algo mágico, pero nada más lejos de la realidad. Es más, permítanme que les convierta en sismólogos en sólo cinco minutos.

El truco es sencillo, un objeto vibrará, esa vibración se propagará por un medio (en nuestro caso el aire), será recogida por un sismógrafo (en nuestro caso el oído) y analizada por un sistema operativo (para nosotros, el cerebro). Empecemos…

¿Son ustedes capaces de diferenciar esto de esto ? Parece fácil, pero no lo es tanto. No ven el objeto, sólo escuchan cómo vibra y lo interpretan. Buscar petróleo es algo parecido…

Sigamos con el curso rápido de sismología.

¿Qué objeto es más grande, este o este ? Tampoco deben de haber tenido muchos problemas, ¿verdad? Pero, ¿qué es lo que les ha permitido distinguir el tamaño de la campana sin verla? Pues que la campana más grande suena más grave y la pequeña más aguda. Efectivamente, los objetos mayores vibran a frecuencias más bajas (más graves) que los objetos más pequeños. Y esto se aplica a una campana, a una falla tectónica, a un planeta o a una estrella. Da igual, todos son cuerpos físicos y obedecen a las mismas leyes.

Ahora averigüen qué objeto está hecho de madera y cual de metal. Uno suena así y el otro así .

Estarán asombrados de la capacidad que tienen de discernir propiedades de distintos objetos sin verlos ni tocarlos. De un modo similar al que ustedes aplican subconscientemente para distinguir de qué está hecho un objeto, un buen sismólogo sabe si bajo sus pies hay petróleo, gas o agua.

Y para terminar nuestro curso, ¿podrían decirme qué objeto está quieto y cuál en movimiento entre éste y éste ? Pues sí, su cerebro entiende perfectamente el efecto Doppler (con permiso de Fizeau y Gestirne), aunque a ustedes puede que ni siquiera les guste la Física. El efecto Doppler explica que el tono de un objeto que transita delante nuestro pase de agudo (al acercarse) a grave (al alejarse). Si el objeto no se mueve, no hay efecto Doppler y por tanto oiríamos el claxon siempre con el mismo tono.

Felicidades, han aprobado ustedes con nota el examen. Han comprobado cómo es posible caracterizar objetos inaccesibles a la vista mediante el estudio de sus vibraciones.


Viaje al centro de la Tierra... y del Sol

Sabemos que podemos acelerar los registros tomados con un sismógrafo para hacer audibles las vibraciones que provocan los movimientos sísmicos en el suelo. Hemos hecho esto con dos terremotos y los hemos transformado en audibles. El primer terremoto suena así y el segundo así . Estos terremotos son inducidos por fallas, pero ¿cuál de los dos está asociado a la falla de mayor tamaño? Recuerden: un objeto grande emitirá sonidos más graves que un objeto pequeño. De los dos sonidos, el más grave será el asociado a la mayor falla. ¿No les parece curioso haber averiguado que la falla del primer terremoto es mayor en tamaño sin necesidad de verla físicamente?

En el mundo real, esto que ustedes han hecho analizando el sonido del terremoto requiere complejos algoritmos matemáticos, que obviamente son muchísimo más precisos que nuestro análisis auditivo. De manera análoga, podemos averiguar a qué distancia ha ocurrido un terremoto, el tipo de terreno que atravesaron las ondas sísmicas, el tipo de falla involucrada, etc.

Hay un tipo de sismología terrestre poco conocida. Implica ir a zonas inhabitadas del planeta, lejos de fuentes de ruido (máquinas, tráfico…), para instalar sismógrafos de gran precisión que detecten la vibración global del planeta. Nuestro planeta vibra y ese patrón de vibración dependerá de su estructura, composición y dinámica interna. No va a vibrar igual la Tierra que Venus, por ejemplo. Acelerando los registros de estos sismógrafos de gran precisión, la vibración global del planeta suena así . Ya dijimos que cualquier vibración necesita una fuente de energía; sin embargo no está aún muy claro cuál es la responsable de la vibración planetaria. Analizando los distintos tonos que componen el sonido que acaban de escuchar, se puede estudiar el planeta "por dentro", por ejemplo la velocidad, composición o inclinación del núcleo metálico terrestre.

Este tipo de técnicas tienen aplicaciones tan interesantes como la vigilancia volcánica. Un volcán suele poseer un tubo de alimentación (es una simplificación de la realidad) que comunica la cámara magmática con el cráter. Cuando un volcán está a punto de entrar en erupción, la cámara se presuriza y ciertos fluidos (magma, agua, gas…) pueden ascender por el tubo de alimentación. Los cambios de presión en el tubo debidos a la reactivación volcánica son las inyecciones de energía necesarias para que éste vibre. Sería un proceso análogo al de tocar la trompeta: soplamos aire al instrumento y cambiamos así la presión en el tubo, que empieza a vibrar y sonar.

Esas vibraciones (inaudibles para nosotros) de los tubos de alimentación volcánicos, conocidas como tremores, suenan así al acelerar el registro de un sismógrafo localizado en el volcán Erebus en la Antártida. El sonido de ese tubo volcánico se parece mucho al de un instrumento de viento, como un oboe, o a un órgano de iglesia, ¿no les parece? En definitiva, un tubo de alimentación volcánico es como un gigantesco tubo de un órgano, donde no suena precisamente música celestial. La interpretación correcta de los tremores volcánicos es una herramienta fundamental a la hora de anticipar el comienzo de una erupción. El siguiente sonido corresponde a un registro sísmico acelerado del volcán Arenal, en Costa Rica. Si escuchan con atención oirán una serie de golpes y unos silbidos. Los golpes corresponden a pequeños terremotos inducidos por el magma que intenta llegar a la superficie fracturando, rompiendo el terreno. Los silbidos son tremores, recuerden, son conductos, tubos o grietas que se llenan de fluido presurizado que los hace vibrar. Esta combinación de golpes y silbidos es una muy mala noticia, pues indica generalmente una inminente erupción.

Vibran instrumentos musicales, volcanes, planetas enteros, el tamaño de los objetos puede ser realmente colosal: las estrellas también vibran. La energía necesaria para mantener tales vibraciones proviene de la agitación producida en las turbulentas superficies estelares. Nos encontramos ante un problema. Es posible oír un instrumento musical, o poner sismógrafos en volcanes, pero ¿cómo detectamos las vibraciones en una estrella?

Fíjense en el altavoz de su equipo de música, su membrana se mueve rápidamente al ritmo de las melodías que pongan. Hay una relación entre el movimiento de la membrana y la música. Las superficies de las estrellas o del Sol son como gigantescas membranas de altavoz que vibran. Nuestra labor consiste en relacionar esos patrones de vibración con sonidos y por ello con el tamaño, estructura y dinámica interna de esos cuerpos. Hay instrumentos en tierra y en el espacio que miden las vibraciones de las ‘membranas’ estelares.

De nuevo, aceleremos los registros de las vibraciones lentas e inaudibles de las estrellas para oírlas. Así suena el Sol , Alpha-Centauri , una estrella tipo Delta-Scuti o una gigante en la constelación de Hydra. Pese a que el Sol y Alpha-Centauri son parecidas en tamaño, sus patrones de vibración (sonido) son muy distintos, indicando diferencias importantes en algún parámetro estructural. ¿A que es fácil adivinar cuál es la estrella de mayor tamaño?

La física es la misma para un violín, una piscina o una estrella de cientos de miles de kilómetros de diámetro. Esta universalidad de la física es un hecho que aún hoy en día me sigue maravillando.

Bibliografía:

Earthquake Quartet #1 for Voice, Trombone, Cello, and Seismograms,por Andrew Michael (en inglés)
United States Geological Survey (USGS)

El tremor sísmico del volcán Erebus (en inglés)
Mount Erebus Volcano Observatory (MEVO)

Ficheros audio de sonidos astronómicos, meteorológicos y otros (en inglés y francés)
LUXORION project

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El autor

Antonio M. Eff-Darwich Peña es Doctor en Ciencias Físicas (especialidad Astrofísica) por la Universidad de La Laguna e investigador y profesor en el Departamento de Edafología y Geología de dicho centro, donde compagina estudios de heliofísica y geofísica.

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Glosario

  • Radiación electromagnética
  • Luz
  • Rayos X
  • Gravedad
  • Planetas
  • Estrella
  • Sol
  • Efecto Doppler