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Mecánica y Ondas

La energía del sonido: Todo lo que hay que saber sobre esta fuente electrizante

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La energía del sonido Todo lo que hay que saber sobre esta fuente electrizante
Imagen por Pixabay

¿Podemos utilizar la energía del sonido para convertir el ruido en formas de energía? Parece una locura, pero descubrimos todo el tiempo diferentes tipos de energía -sobre todo cuando se trata de energías renovables- y la energía sonora es un tipo más.

En todo el mundo, es difícil encontrar un lugar en el que el ruido no forme parte del paisaje. Desde el rugido del tráfico hasta el sonido de los instrumentos musicales, los seres humanos hacen mucho ruido. Hay muchos tipos diferentes de sonido, desde los audibles hasta los inaudibles.

Las fuentes de sonido pueden ser agradables o desagradables para el oído humano, dependiendo del volumen, los diferentes tonos, los tipos de sonido, la fuente de sonido y la intensidad del sonido. En cualquier caso, la energía sonora viaja y, dependiendo de la fuente sonora y de la intensidad, el sonido puede considerarse a veces como un contaminante.

¿Qué es exactamente la energía sonora?

La energía sonora es la transformación del sonido en electricidad. Aunque la ciencia de la transformación de la energía sonora en electricidad es aún incipiente, ya se ha hecho. Por ejemplo, los micrófonos y los altavoces son ejemplos de cómo el sonido se convierte en energía eléctrica.

De hecho, un grupo de jóvenes estudiantes de secundaria descubrió cómo producir suficiente electricidad con la energía del sonido para encender una bombilla. Hay que reconocer que eso está muy lejos de generar suficiente electricidad para alimentar una casa o una ciudad entera. Pero es un comienzo y la ciencia que lo sustenta se está desarrollando. Conozcamos más sobre el intrigante mundo del sonido, incluyendo ejemplos de energía sonora.

¿Cómo oímos las ondas de sonido?

La mecánica de la audición demuestra algunos de los mecanismos de la energía sonora.

Cuando oímos un sonido, experimentamos ondas sonoras que se introducen en el canal auditivo y mueven el tímpano, de forma parecida a como vibra la cabeza de un tambor cuando se golpea. Los distintos sonidos producen diferentes vibraciones que afectan al movimiento del tímpano.

Las vibraciones viajan desde el tímpano a través de los huesecillos hasta la cóclea (un órgano lleno de líquido), provocando ondas superficiales que golpean las células ciliadas.

Dependiendo de la ubicación de las células ciliadas en la cóclea, el cerebro «oye» sonidos agudos o graves a través del nervio auditivo. A continuación, traduce las vibraciones iniciales de las moléculas de aire de la onda sonora en sonidos que entendemos.

En física, el estudio del sonido se conoce como acústica e incluye todas las construcciones del sonido.

¿Cuál es la definición de energía del sonido?

En términos sencillos, la energía sonora proviene de las vibraciones que se mueven a través de algo. Los sólidos, los líquidos y los gases transmiten el sonido como ondas de energía.

La energía sonora es el resultado de una fuerza, ya sea el sonido o la presión, que hace vibrar un objeto o una sustancia. Esa energía se mueve a través de la sustancia en forma de ondas. Esas ondas sonoras se denominan energía mecánica cinética.

¿Por qué las ondas sonoras se llaman ondas mecánicas?

Las ondas sonoras se denominan a veces ondas mecánicas porque las ondas sonoras necesitan un medio físico para propagarse. Los líquidos, los gases o los materiales sólidos transfieren las variaciones de presión, creando energía mecánica en las ondas.

Como todas las ondas, las sonoras tienen picos y valles. Los picos se denominan compresiones, mientras que la rarefacción es el término utilizado para los valles.

Las oscilaciones entre la compresión y la rarefacción se mueven a través de medios gaseosos, líquidos o sólidos para producir energía. El número de ciclos de compresión/rarefacción en un periodo determinado determina la frecuencia de una onda sonora.

Los científicos miden la intensidad y la presión de la energía sonora en pascales y decibelios. Las ondas sonoras también se denominan a veces ondas de presión porque la presión de la onda sonora mueve las partículas por las que pasa.

¿Cómo se miden las ondas sonoras?

La longitud de onda, el periodo, la amplitud y la frecuencia son las cuatro partes principales de una onda sonora, independientemente del tipo de onda y del medio por el que viaja el sonido.

  • Longitud de onda: Imagina una onda que viaja a lo largo de un eje horizontal; en ese caso, la longitud de onda se mide como la distancia horizontal entre dos puntos sucesivos y equivalentes de la onda. Así, en términos básicos, una sola longitud de onda es un ciclo entre los dos puntos iguales.
  • Período: El periodo de una longitud de onda es el tiempo que tarda una sola longitud de onda en pasar por un punto determinado. Por lo general, un periodo más largo indica un tono más bajo.
  • Amplitud: Medimos la amplitud del sonido (fuerza o nivel de presión sonora) por la altura de la onda sonora. Está relacionada con el volumen relativo del sonido. Cuando la amplitud de la onda es significativa -como en el caso de un sonido fuerte- la onda es alta. Lo contrario también es cierto; los sonidos más suaves producen ondas con una amplitud menor. Un volumen más bajo equivale a niveles de decibelios (dB) más bajos; un decibelio mide la intensidad del sonido. Cero decibelios equivale a los sonidos más silenciosos que puede escuchar el oído humano. Los decibelios se multiplican por seis. Una voz normal tiene 60 dB.
  • La frecuencia: Los hercios (Hz) miden la frecuencia de una onda sonora. Los hercios miden los ciclos por segundo de una onda sonora que pasa por un punto establecido en el eje horizontal. (La frecuencia de las ondas sonoras se mide en hercios. Por lo tanto, los hercios (Hz) indican el número de ciclos por segundo que pasan por un lugar determinado. Por ejemplo, si, al hablar, su diafragma vibra a 900 Hz, su diafragma genera 900 compresiones (aumento de la presión) y 900 rarefacciones (disminución de la presión). El tono es una función de cómo el cerebro interpreta la frecuencia del sonido. Un tono más alto es el resultado de una frecuencia más alta; una frecuencia más baja se traduce en un tono más bajo.

¿La energía del sonido es potencial o cinética?

Cuando la energía puede realizar un trabajo pero no está aplicando activamente una fuerza, se denomina energía potencial.

En física, el trabajo se mide por la energía transferida. Cuando una fuerza externa mueve algo a lo largo de una distancia, eso es trabajo.

El muelle enrollado de un Slinky es un ejemplo de energía potencial. Hasta que no se suelta el muelle, no está haciendo trabajo. El trabajo se produce cuando el muelle se mueve (se suelta), convirtiéndose en energía cinética. La energía cinética es la energía del movimiento.

La energía del sonido puede ser ambas: energía cinética o energía potencial.

Un ejemplo podría ser el de un instrumento musical. Cuando el instrumento se toca, genera ondas sonoras, produciendo energía cinética. Pero cuando ese mismo instrumento musical está en reposo, sólo existe la energía potencial.

¿Las ondas sonoras comparten características y comportamientos?

Además de los componentes principales de una onda -frecuencia, amplitud, longitud de onda y frecuencia-, los científicos clasifican las ondas en función de tres características distintivas: movimiento longitudinal, transversal y superficial.

El movimiento de las partículas de un medio en relación con la dirección del viaje es un método estándar para distinguir el tipo de onda.

Para entender las ondas transversales, volveremos a hablar del Slinky. Considere el movimiento de un Slinky cuando su mano alterna hacia arriba y hacia abajo. La energía de este Slinky «activado» se mueve verticalmente a lo largo de la dirección de desplazamiento, desplazando las bobinas (que, en este caso, representan partículas de onda) hacia arriba y hacia abajo.

Los tipos de ondas transversales incluyen

  • Las vibraciones de una cuerda de guitarra
  • Los aficionados al deporte que se levantan y se sientan en una onda sincronizada alrededor de un estadio deportivo
  • Las ondas electromagnéticas, como la luz y las ondas de radio
  • Por otro lado, las ondas longitudinales mueven la energía de la onda hacia la derecha o hacia la izquierda a lo largo del eje horizontal de la onda. Así, nuestro Slinky, cuando se estira horizontalmente y pulsa horizontalmente como un acordeón, pulsará horizontalmente a lo largo de su dirección de desplazamiento izquierda-derecha paralela al eje de la onda.

Las ondas sonoras son ondas longitudinales, al igual que las ondas ultrasónicas y las ondas P sísmicas.

La principal característica de una onda superficial es el movimiento circular de sus partículas. Sólo las partículas de la superficie del medio se mueven circularmente; el movimiento disminuye a medida que las partículas se alejan de la superficie.

¿Cuáles son los ejemplos de energía sonora?

La energía sonora se produce cuando un objeto vibra. El ruido, ya sea dentro del rango de audición humano o no, es energía sonora. El sonar, los ultrasonidos (más de 20 kilohercios), la música, el habla y el ruido ambiental son formas de energía sonora.

Tanto si proceden de un objeto inanimado como de un ser sensible, los sonidos vienen de todas partes. Algunos son agradables al oído, otros no. Considera estos ejemplos de energía sonora y cómo te hacen sentir:

  • El cosquilleo alto y delicado o los tonos profundos y vibrantes de una campana de viento
  • El estruendo del motor, el chirrido de los neumáticos, el estruendo de la radio y el chirrido de los frenos del tráfico.
  • El llanto, los balbuceos, los gritos y las risas de los bebés.
  • Los perros ladrando, gruñendo o aullando
  • Teléfonos que suenan, zumban o tintinean
  • El golpeteo de la lluvia, el aullido del viento y los truenos
  • Gatos que ronronean, maúllan y se rascan
  • Humanos y animales respirando, roncando, estornudando o resollando
  • El freír, crepitar, hervir, picar y golpear de una cocina ocupada
  • Olas que chocan y se retiran
  • Motores en marcha, acelerando, golpeando y rugiendo
  • Los sonidos suaves, fuertes, descarados, suaves, profundos, estridentes y distintos de la música
  • El ruido blanco, bajo y constante del aire acondicionado
  • Incluso cuando parece que hay silencio, siempre hay sonido.

¿Cómo produce electricidad la energía sonora?

Las vibraciones sonoras pueden convertirse en energía eléctrica mediante el principio de la inducción electromagnética. La inducción electromagnética genera corriente eléctrica utilizando un campo magnético.

Cuando un campo magnético y un conductor, como una bobina de alambre, se mueven uno en relación con el otro, se produce la inducción electromagnética. Mientras el conductor esté en un circuito cerrado, la corriente fluye allí donde el conductor cruza las líneas de la fuerza magnética.

¿Qué es la piezoelectricidad y cómo se relaciona con la energía del sonido?

La piezoelectricidad utiliza cristales únicos para convertir la energía mecánica -en este caso, la energía de las ondas sonoras- en energía eléctrica.

Bajo compresión, los cristales actúan como conductores. Cuando los cristales se comprimen, su estructura cambia y el cristal adquiere una carga neta. Esa carga puede convertirse en una corriente eléctrica.

Otros materiales, como el hueso, las cerámicas especiales y el esmalte, también son conductores piezoeléctricos. Estos materiales tienen en común la capacidad de producir una carga eléctrica interna debido a la tensión mecánica aplicada.

Utilizando ondas sonoras de muy alta frecuencia -frecuencias 100 millones de veces superiores a las que las personas pueden oír-, los materiales piezoeléctricos se convierten en señales eléctricas que emiten ondas luminosas en la gama de frecuencias de terahercios.

La piezoelectricidad une los estados eléctrico y mecánico del material piezoeléctrico. Bajo compresión, el material utilizado tiene un flujo de corriente que cambia su polarización para convertirse en una carga eléctrica, conocida como momento dipolar neto.

¿Cuál es el futuro de la energía eléctrica generada por el sonido?

Como sabemos, los sonidos llenan constantemente nuestro entorno acústico. Como toda energía, la energía sonora tiene el potencial de generar electricidad. Al igual que el sol proporciona energía solar ilimitada y la brisa proporciona energía eólica, la energía sonora es renovable porque tanto los seres sensibles como los objetos insensibles producen sonido constantemente.

Aunque las ondas sonoras y los principios de producción de energía se conocen desde hace tiempo, la tecnología para convertir la energía sonora en electricidad está en pañales.

Sin embargo, a medida que los científicos y técnicos investigan y mejoran las tecnologías relacionadas con la electricidad generada por el sonido, la energía sonora podría producir electricidad en masa algún día.

Si eso parece una quimera, recuerda que la energía solar y la eólica también estuvieron en su día fuera de nuestro alcance.

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