1. Por qué las flautas suenan más agudas en días calurosos y qué velocidad tiene el sonido
En instrumentos como la flauta, el sonido surge porque el aire dentro del tubo entra en resonancia. Si la longitud del tubo es fija, la longitud de la onda que resuena también es fija. Si la longitud de la onda no cambia, cuanto mayor es la velocidad del sonido, más veces vibra la onda por segundo (la frecuencia), y el sonido se vuelve más agudo [1]. Imagina que lanzas una pelota de un extremo a otro del aula: cuanto más rápido va la pelota, más viajes hace por segundo. Así funciona el sonido en el tubo, aunque en realidad no es una sola masa la que viaja, sino ondas que se superponen.
La velocidad del sonido depende de la temperatura del aire. A 0 °C, es de unos 331 metros por segundo; a 20 °C, sube a unos 343 metros por segundo [2]. La diferencia es de 12 metros, lo que equivale a casi un 3,6 %, sin llegar al 4 %. Por cada grado Celsius que sube la temperatura, el sonido se acelera aproximadamente 0,6 metros por segundo.
2. Cómo el movimiento de las moléculas de aire explica la velocidad del sonido
Las moléculas de aire no están quietas; se mueven en todas direcciones a velocidades enormes. Cuanto mayor es la temperatura, más intenso es este movimiento. A 20 °C, las moléculas de nitrógeno, que abundan en el aire, se mueven en promedio a unos 510 metros por segundo [5]. Esto es más rápido que la velocidad del sonido (343 metros por segundo).
Entonces, ¿por qué el sonido es más lento que las moléculas? Porque las moléculas no "transportan" el sonido como un camión. Chocan constantemente con otras moléculas, por lo que no pueden avanzar lejos en un segundo [5]. Lo que se transmite es el aviso de que algo ha sido empujado [2]. Por eso el olor tarda mucho más en cruzar una habitación que el sonido: las moléculas tienen dificultades para avanzar. Piensa en una plaza llena de gente que se mueve mucho. Si alguien toca el hombro de su vecino, cuanto más agitadamente se mueva la gente, más pronto chocará con otro y la señal pasará rápido. El aire caliente es como esa plaza activa. Sin embargo, las moléculas no intentan pasar la señal; simplemente chocan y transmiten la fuerza.
3. Por qué la velocidad del sonido no es proporcional a la temperatura y qué papel tienen la humedad y Newton
La velocidad del sonido no es directamente proporcional a la temperatura. Por eso, a 0 °C no es cero, sino que sigue siendo de unos 331 metros por segundo. Además de la temperatura, ¿qué otros factores influyen? Se explica que la presión del aire no cambia la velocidad del sonido si la temperatura es igual. Si el sonido fuera más lento en una montaña alta, no sería porque el aire es más delgado, sino porque hace más frío [3]. El efecto del vapor de agua (humedad) es pequeño: aumenta la velocidad entre un 0,1 % y un 0,6 % [3].
Newton también calculó esta velocidad. En su obra Principia de 1687, se estima que obtuvo 979 pies por segundo (unos 298 metros en unidades actuales), un valor más de un 10 % inferior al real. La explicación es que trató la compresión y expansión del aire como si no hubiera cambio de temperatura. Laplace corrigió esto más tarde al incluir los cambios de temperatura [3]. Unos 50 años después, en 1738, la Academia de Ciencias de París realizó un experimento con cañones y obtuvo 332 metros por segundo a 0 °C sin viento, con una diferencia menor al 1 % respecto al valor actual [3].
4. Cómo cambia la velocidad del sonido en el agua y en el hierro comparada con el aire
En agua dulce a 20 °C, el sonido viaja a unos 1480 metros por segundo, unas 4,3 veces más rápido que en el aire [2]. En el hierro, las fuentes indican entre 5000 y 6000 metros por segundo, lo que equivale a 15 o 17 veces la velocidad en el aire [2][3][4]. Para recorrer 100 metros, el sonido tarda unos 0,3 segundos en el aire, pero solo 0,02 segundos en el hierro.
El agua y el hierro son mucho más densos (más pesados) que el aire, pero el sonido viaja más rápido en ellos. Esto se debe a que la velocidad del sonido aumenta con la rigidez y disminuye con la densidad [3]. El agua y el hierro son difíciles de comprimir y tienen una fuerza de repulsión enorme, lo que supera el efecto de su peso. En el agua, también se dice que el sonido se acelera al subir la temperatura [3], aunque este artículo no explica si funciona igual que en el aire por el movimiento molecular.
5. Por qué el sonido se curva por refracción y se oye distinto de día y de noche
Si la temperatura varía según el lugar, la velocidad del sonido también cambia. Esto hace que la dirección del sonido se curve, un fenómeno llamado refracción. El sonido se curva hacia la zona donde viaja más lento. Es similar a un coche cuyas ruedas entran en el barro: se desvía hacia el lado lento. Sin embargo, el sonido no es un objeto sólido, sino una onda que se expande.
De día, el suelo está caliente y el aire superior más frío. Como el sonido va más lento hacia arriba, se curva hacia el cielo y llega menos al suelo. De noche, el suelo se enfría y el sonido se curva hacia abajo, pudiendo llegar más lejos. En invierno también ocurre esto [6]. También se menciona que pueden formarse “sombras sonoras” por los cambios de temperatura con la altura [3]. Como la noche suele ser más silenciosa, no se puede atribuir la mejor audibilidad únicamente a la curvatura.
6. Cómo se usa la velocidad del sonido para medir la temperatura y cómo es el sonido en Marte
Si la velocidad del sonido depende de la temperatura, podemos usarla para medir la temperatura. Existe el anemómetro ultrasónico que mide el viento y la temperatura. En 1966, Yasushi Mitsuda del Instituto de Investigación de Prevención de Desastres de la Universidad de Kioto publicó un trabajo sobre un dispositivo de uso general en la revista Journal of the Meteorological Society of Japan [7].
En Marte también se midió la velocidad del sonido. Los micrófonos del rover Perseverance de la NASA grabaron sonidos reportados en Nature el 1 de abril de 2022 [8]. En Marte, los sonidos graves viajan a unos 240 metros por segundo y los agudos a unos 250, aproximadamente el 70 % de la velocidad terrestre (343 metros) [8]. La atmósfera marciana es fría, delgada y rica en dióxido de carbono, lo que afecta la velocidad. Que la velocidad varíe según la frecuencia del sonido es una característica exclusiva de la atmósfera de dióxido de carbono de baja presión de Marte, no de la Tierra [8].
7. Un cálculo para investigar: cuánto tarda el sonido en recorrer 100 metros a 0 °C y a 20 °C
Hagamos un cálculo. ¿Cuánto difiere el tiempo de llegada de un sonido emitido a 100 metros de distancia a 0 °C y a 20 °C? A 0 °C tarda unos 0,30 segundos (100 ÷ 331) y a 20 °C unos 0,29 segundos (100 ÷ 343). La diferencia es de apenas 0,01 segundos. Aun así, ¿puedes explicar por qué cambia la afinación de la flauta usando la analogía de la pelota del primer capítulo?
Para el tema de Marte, el artículo de la NASA [8] es un buen punto de partida. Si los sonidos graves y agudos viajan a distinta velocidad, ¿cómo cambia la percepción de los sonidos lejanos? ¿Que se escuchen más lejos de noche se debe a la curvatura del sonido o al silencio? Este artículo no determina cuál influye más. Piensa en un momento en que te hayas preguntado esto y analiza ambas posibilidades.