Onda Sonora
Una onda sonora es una onda mecánica longitudinal de compresiones y rarefacciones que viaja a través de un medio como el aire, el agua o los sólidos.
Definition
Una onda sonora es una vibración que viaja a través del aire, el agua u objetos sólidos hasta el oído: algo se agita, el aire a su alrededor se agita, y la agitación se esparce hasta llegar a un oyente, pero el sonido necesita algo a través de qué viajar, así que en el espacio vacío entre planetas el motor de un cohete sería completamente silencioso. Es una onda mecánica longitudinal producida por un objeto vibrante, que viaja como compresiones y rarefacciones a través de un medio, con la frecuencia determinando el tono y la amplitud determinando el volumen, moviéndose a unos $343\ \text{m/s}$ en aire a $20^\circ\text{C}$ y más rápido en líquidos y sólidos. Como onda de presión, $\Delta P = \Delta P_{\max}\sin(kx - \omega t)$, se propaga a $v = \sqrt{B/\rho}$, donde el módulo volumétrico adiabático para un gas ideal es $B = \gamma P$; la intensidad es $I = \Delta P_{\max}^2/(2\rho v)$ y decae como $1/r^2$ desde una fuente puntual, el nivel de sonido es $\beta = 10\log_{10}(I/I_0)$ dB, y el sonido experimenta reflexión, refracción, difracción, interferencia (pulsaciones en $f_{\text{beat}} = |f_1 - f_2|$), y el efecto Doppler, con el ultrasonido por encima de $20\ \text{kHz}$ usado para obtener imágenes porque su corta longitud de onda resuelve detalles finos.
Example
Pulsar la cuerda de una guitarra produce un borrón visible que empuja el aire hacia adelante y hacia atrás, y esos empujones viajan a través de una habitación hasta el oído; el clic de $40{,}000\ \text{Hz}$ de un murciélago tiene una longitud de onda en el aire de $343/40000 \approx 0.0086\ \text{m}$, menos de un centímetro, lo suficientemente pequeña como para rebotar en una polilla, con un eco de una polilla a $2\ \text{m}$ de distancia regresando después de $4/343 \approx 0.012\ \text{s}$. Un fuego artificial que produce $120\ \text{dB}$ a $10\ \text{m}$ tiene $I = 10^{12} \times 10^{-12} = 1\ \text{W/m}^2$, cayendo a $0.01\ \text{W/m}^2$ (o $100\ \text{dB}$) a $100\ \text{m}$ conforme la intensidad cae en $(10/100)^2 = 1/100$, y dos flautas a $440\ \text{Hz}$ y $444\ \text{Hz}$ producen $4$ pulsaciones por segundo, la oscilación usada para afinar instrumentos.
Key Insight
El sonido viaja unas $15$ veces más rápido en acero que en aire, así que un oído colocado con cuidado en una vía de tren puede escuchar un tren mucho antes de que llegue a través del aire. La rapidez del sonido también establece límites en la ingeniería: las aeronaves que cruzan $343\ \text{m/s}$ apilan sus propias ondas de presión en un cono de choque, y los ingenieros diseñan formas de tobera, flechas de alas, e incluso los hoyuelos de una pelota de golf en torno a lo que hacen las ondas de presión cerca de esa rapidez.