Sunetul: cum se propagă undele și de ce auzim ecoul

Sunetul este o vibrație care se propagă printr-un mediu, aer, apă sau corp solid, sub forma unei unde mecanice. Când o coardă de chitară vibrează, ea împinge și trage aerul din jur, creând zone în care aerul este ușor comprimat și zone în care este rarefiat. Aceste zone se transmit din aproape în aproape până la urechea ta, unde pun în mișcare timpanul. Ecoul apare atunci când unda întâlnește un obstacol mare, se reflectă și se întoarce la tine destul de târziu încât să-l auzi separat.

Sunetul nu transportă aer de la sursă la ascultător, ci doar energie și informație. De aceea vorbitul nu produce vânt, iar sunetul trece și prin pereți. În ghidul de mai jos afli cât de repede se propagă sunetul, ce înseamnă decibelii, de ce tunetul vine după fulger, cum „văd” liliecii cu urechile și cum transformă urechea vibrațiile în semnale pentru creier.

Ce este sunetul

Sunetul este o undă mecanică longitudinală: particulele mediului oscilează înainte și înapoi, pe aceeași direcție pe care se propagă unda. Spre deosebire de valurile de pe un lac, unde apa urcă și coboară perpendicular pe direcția de mers, în sunet particulele de aer se apropie și se depărtează unele de altele.

O imagine utilă este un arc lung de jucărie, întins pe o masă. Dacă împingi brusc un capăt, o zonă cu spire strânse înaintează de-a lungul arcului, deși fiecare spiră se mișcă doar puțin înainte și înapoi. Exact așa se transmite sunetul prin aer.

Orice sunet pornește de la ceva care vibrează:

• corzile vocale, în gât, când vorbești sau cânți;
• coarda unei viori sau a unei chitări;
• membrana unei tobe sau a unui difuzor;
• coloana de aer dintr-un fluier, dintr-un nai sau dintr-o sticlă în care sufli;
• o lamă de metal, ca la diapazon sau la clopot.

Ca toate undele, sunetul transportă energie; o explozie puternică poate sparge geamuri tocmai pentru că unda de presiune duce cu ea multă energie. Formele energiei și transformările lor sunt descrise în Energia: formele ei și legea conservării pe înțeles.

Cum se propagă sunetul și cât de repede

Sunetul are nevoie de un mediu material pentru a se propaga, iar viteza lui depinde de cât de „rigid” și de cât de dens este acel mediu. În general, sunetul merge cel mai încet prin gaze, mai repede prin lichide și cel mai repede prin solide.

Fără aer nu există sunet

În secolul al XVII-lea, Robert Boyle a pus un ceas cu sonerie sub un clopot de sticlă și a scos treptat aerul cu o pompă. Soneria se auzea tot mai slab, până aproape deloc, deși ciocănelul se vedea lovind. În vidul spațiului cosmic nu se aude nimic: exploziile din filmele științifico-fantastice sunt, din punct de vedere fizic, tăcute. Astronauții aflați în costume, în afara stației spațiale, comunică doar prin radio.

Viteza sunetului în diferite medii

În aer, viteza crește cu aproximativ 0,6 m/s pentru fiecare grad Celsius. Diferența explică de ce, în nopțile senine de iarnă, sunetele îndepărtate, cum ar fi un tren, se aud uneori neobișnuit de clar: stratul de aer rece de lângă sol curbează undele înapoi spre pământ.

Comparativ, lumina este de aproape un milion de ori mai rapidă decât sunetul, iar asta explică multe fenomene de zi cu zi, de la fulger și tunet până la decalajul dintre imaginea și sunetul unui foc de artificii văzut de departe. Natura luminii este explicată în Lumina și culorile: de ce vedem curcubeul și cerul albastru.

Sfat: Lipește urechea de o masă lungă sau de o balustradă metalică și roagă pe cineva să zgârie ușor celălalt capăt. Vei auzi zgârietura mult mai clar decât prin aer, pentru că solidele transmit sunetul mai bine și mai repede.

Înălțimea, intensitatea și timbrul

Orice sunet poate fi descris prin trei caracteristici: cât de înalt sau grav este, cât de tare este și ce „culoare” are. Fiecare corespunde unei mărimi fizice măsurabile.

Frecvența arată câte vibrații complete au loc într-o secundă. Nota la din mijlocul pianului, folosită pentru acordarea instrumentelor, are 440 Hz. Omul tânăr aude, în general, sunete între aproximativ 20 Hz și 20.000 Hz. Limita de sus scade odată cu vârsta, așa că adulții nu mai aud unele sunete foarte acute pe care copiii le percep.

Timbrul explică de ce recunoști vocea unui prieten la telefon. Niciun instrument real nu produce o singură frecvență; produce o frecvență de bază și multe frecvențe suplimentare, numite armonice, în proporții diferite. „Rețeta” armonicelor dă personalitatea sunetului.

Decibelii și protecția auzului

Intensitatea sunetului se exprimă în decibeli (dB), pe o scară logaritmică, nu liniară. O creștere cu 10 dB înseamnă o intensitate de zece ori mai mare și este percepută, aproximativ, ca un sunet de două ori mai tare. Așadar 90 dB nu este „puțin peste” 80 dB, ci de zece ori mai intens.

Celulele senzoriale din urechea internă, numite celule ciliate, nu se refac la om după ce au fost distruse. Expunerea prelungită la zgomot puternic, de ordinul a 85 dB timp de ore întregi, nivel folosit frecvent ca reper în normele de protecție a muncii, sau expunerile scurte la sunete foarte puternice pot afecta auzul în mod permanent.

Important: Dacă după un concert sau după lucrul cu unelte zgomotoase auzi un țiuit persistent sau ai senzația de ureche înfundată, ia o pauză de la zgomot, iar dacă simptomele nu trec, mergi la medicul ORL. Folosește antifoane la activitățile zgomotoase și păstrează volumul căștilor moderat. Informațiile au caracter general și nu înlocuiesc consultul de specialitate.

Ecoul și reverberația

Ecoul este sunetul reflectat de un obstacol mare și auzit separat de sunetul inițial. Urechea și creierul pot distinge două sunete ca fiind separate dacă între ele trece cel puțin aproximativ o zecime de secundă. În acest timp, sunetul parcurge în aer circa 34 m, adică dus-întors până la un obstacol aflat la cel puțin 17 m.

De aceea:

• într-o cameră obișnuită nu auzi ecou, pentru că pereții sunt prea aproape și reflexiile se amestecă cu sunetul original;
• într-o vale îngustă de munte, într-un defileu sau lângă un perete de stâncă strigătul se întoarce clar, uneori de mai multe ori, de la versanți aflați la distanțe diferite;
• într-o sală goală și mare, cu pereți duri, sunetele se prelungesc și se amestecă.

Reverberația

Când reflexiile sunt foarte multe și sosesc la intervale mai mici de o zecime de secundă, nu mai auzi ecouri separate, ci o „coadă” a sunetului, numită reverberație. O biserică mare din piatră are reverberație lungă, potrivită pentru muzica de cor. O sală de conferințe trebuie să aibă reverberație scurtă, altfel vorbele se încalcă. Covoarele, perdelele, mobila tapițată și panourile fonoabsorbante reduc reverberația, motiv pentru care un apartament gol răsună, iar unul mobilat nu.

Fulgerul și tunetul: cât de departe e furtuna

Fulgerul și tunetul se produc în același moment, dar lumina ajunge la tine practic instantaneu, iar sunetul parcurge aproximativ un kilometru în trei secunde. Numără secundele dintre fulger și tunet și împarte la trei: rezultatul este distanța aproximativă, în kilometri, până la locul descărcării.

Rostogolirea tunetului vine din faptul că fulgerul este lung, de câțiva kilometri, iar sunetul pornește din puncte aflate la distanțe diferite de tine, la care se adaugă reflexiile. Cum se formează descărcarea electrică propriu-zisă afli în Fulgerele și tunetele: cum se formează o furtună.

Atenție: Dacă auzi tunetul, ești suficient de aproape de furtună ca să poți fi lovit de fulger. Intră într-o clădire sau într-o mașină închisă și evită zonele deschise, vârfurile de deal și copacii izolați.

Infrasunete și ultrasunete

Sunetele cu frecvență sub 20 Hz se numesc infrasunete, iar cele peste 20.000 Hz se numesc ultrasunete. Omul nu le aude, dar multe animale și aparate le folosesc.

Infrasunetele

Infrasunetele se propagă la distanțe foarte mari, cu pierderi mici. Sunt produse de cutremure, erupții vulcanice, valuri mari, furtuni și avalanșe. Elefanții comunică parțial prin sunete foarte joase, care ajung la kilometri distanță. Undele seismice, rude apropiate ale sunetului care se propagă prin rocă, sunt explicate în Cutremurele: cum se produc și ce înseamnă magnitudinea.

Ultrasunetele și ecolocația

Liliecii emit ultrasunete scurte și ascultă ecoul lor: din timpul de întoarcere și din modificarea sunetului își dau seama unde se află un obstacol sau o insectă, chiar în întuneric complet. Delfinii folosesc un sistem asemănător sub apă. Fenomenul se numește ecolocație și este un exemplu remarcabil de adaptare, alături de alte comportamente descrise în Comportamentul animalelor: instinct, învățare și comunicare.

Omul a copiat principiul în mai multe tehnologii:

1. sonarul navelor, care măsoară adâncimea apei și detectează bancurile de pești;
2. ecografia medicală, care formează imagini ale organelor interne din ecourile ultrasunetelor, fără radiații ionizante;
3. senzorii de parcare ai mașinilor, care măsoară distanța până la obstacole;
4. curățarea cu ultrasunete a bijuteriilor și a instrumentelor.

Efectul Doppler și bariera sunetului

Efectul Doppler este schimbarea frecvenței percepute a unui sunet atunci când sursa și ascultătorul se apropie sau se depărtează unul de altul. Când o ambulanță se apropie, sirena sună mai acut; în momentul în care trece pe lângă tine și se îndepărtează, sunetul devine brusc mai grav.

Explicația: când sursa vine spre tine, undele se „înghesuie” în față, deci ajung la ureche mai des, iar frecvența pare mai mare; când se îndepărtează, undele se „întind”. Fenomenul a fost descris în 1842 de fizicianul austriac Christian Doppler și se aplică și luminii: astronomii îl folosesc pentru a afla dacă o stea sau o galaxie se apropie sau se depărtează de noi.

Bang-ul supersonic

Când un avion zboară mai repede decât sunetul, el depășește propriile unde sonore, care se adună într-o undă de șoc în formă de con. Când acest con trece peste un observator de pe sol, se aude o detunătură puternică, numită bang sonic. Viteza sunetului este folosită ca unitate de referință în aviație: Mach 1 înseamnă viteza sunetului în aerul din jurul avionului, iar Mach 2 de două ori această viteză.

Rezonanța și instrumentele muzicale

Rezonanța este fenomenul prin care un corp începe să vibreze puternic atunci când primește vibrații cu frecvența lui proprie de oscilație. Fiecare obiect are una sau mai multe frecvențe la care „îi place” să vibreze.

Câteva exemple:

• un pahar subțire de cristal „cântă” când freci marginea cu degetul ud;
• o coardă de chitară neatinsă vibrează singură când alături se cântă aceeași notă;
• cutia de rezonanță a viorii sau a chitarei amplifică vibrațiile corzilor, care singure ar fi aproape inaudibile;
• soldații rup pasul când trec în formație pe un pod, ca să nu-l facă să vibreze ritmic.

Instrumentele tradiționale românești ilustrează frumos aceste principii. Naiul are tuburi de lungimi diferite: cu cât tubul e mai lung, cu atât coloana de aer vibrează mai lent și nota e mai gravă. Buciumul, tubul lung de lemn folosit de ciobani, produce sunete puternice și joase, care se aud de la un versant la altul, peste văi. Transformarea sunetului în semnal electric și transmiterea lui la distanță, prin telefon și radio, sunt povestite în Telefonul și radioul: cum au apărut comunicațiile la distanță.

Cum auzim

Urechea transformă vibrațiile aerului în semnale nervoase, într-un lanț de pași foarte precis. Pavilionul urechii adună sunetul și îl trimite prin canalul auditiv spre timpan, o membrană subțire care începe să vibreze.

1. Timpanul transmite vibrațiile celor trei oscioare din urechea medie: ciocanul, nicovala și scărița, cele mai mici oase din corpul omenesc.
2. Oscioarele amplifică vibrațiile și le transmit urechii interne.
3. Cohleea, un tub în formă de melc plin cu lichid, conține celulele ciliate, care transformă mișcarea lichidului în impulsuri electrice. Sunetele acute stimulează celulele de la baza cohleei, iar cele grave pe cele de la vârf.
4. Nervul auditiv duce impulsurile la creier, care le interpretează ca vorbe, muzică sau zgomot.

Pentru că avem două urechi, creierul compară mica diferență de timp și de intensitate cu care sunetul ajunge la fiecare și își dă seama din ce direcție vine. Pentru o privire de ansamblu asupra undelor și a celorlalte capitole ale fizicii, citește ghidul Fizica pe înțeles: legile care explică lumea din jur.

Ultimele recomandări

Sunetul este o undă mecanică longitudinală, transmisă din particulă în particulă, așa că are nevoie de un mediu și nu există în vid. Se propagă cu circa 343 m/s în aer, mai repede în apă și cel mai repede în solide. Frecvența îi dă înălțimea, amplitudinea îi dă intensitatea, iar armonicele îi dau timbrul. Ecoul apare când obstacolul este la cel puțin 17 m, iar diferența de viteză dintre lumină și sunet îți permite să estimezi distanța până la o furtună. Ultrasunetele, ecolocația și efectul Doppler arată cât de mult folosesc natura și tehnologia proprietățile sunetului.

De reținut:

• sunetul nu se propagă în vid;
• în aer, la 20 °C, viteza sunetului este de circa 343 m/s;
• omul aude aproximativ între 20 Hz și 20.000 Hz;
• 10 dB în plus înseamnă intensitate de zece ori mai mare;
• trei secunde între fulger și tunet înseamnă circa un kilometru.