Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

noviembre 06, 2012

Ver el sonido para estudiarlo

El oído es probablemente el segundo sentido más importante después de la vista. La comprensión del sonido, sin embargo, se desarrolló casi cien años después de los descubrimientos de Newton sobre la luz y la óptica.

Figuras de Chladni en la tapa trasera de una guitarra.
(Foto GFDL de Mrspokito, vía Wikimedia Commons
Era 1500, en los inicios de la revolución científica, cuando Leonardo Da Vinci observó que no había sonido cuando no había movimiento o percusión del aire.

La fascinación de Leonardo por las ondas en el agua y los remolinos de agua y aire es dominante en sus libros de notas, y fue por ello que, viendo las olas que se generaban en la superficie del agua al arrojar una piedra sobre ésta, descubrió que el sonido se comportaba de forma similar, es decir, que se transmitía por el aire en círculos concéntricos sin que éste se moviera, igual que las olas en el agua.

Como con muchos otros aspectos de la realidad, los filósofos griegos se ocuparon de tratar de entender la música y, por extensión, el sonido. En el siglo VI antes de nuestra era, Pitágoras fue el primero en observar que un cuerpo vibratorio genera un movimiento igualmente vibratorio en el aire, que se puede oír y sentir. Describió matemáticamente las armonías que conocemos como intervalos de quinta y de cuarta, y descubrió la relación inversa entre la longitud de una cuerda y su tono, es decir, mientras más corta es una cuerda (y en general la fuente productora de sonido), más aguda es la nota.

El filósofo estoico del siglo III a.n.e., Crisipo de Solos, se aproximó a lo que descubriría Leonardo 800 años después proponiendo que el sonido viaja por el aire del mismo modo en el que la energía viaja a través del agua.

Pero los griegos se interesaron más en las leyes que regían los aspectos prácticos del sonido. Así, su amor por el teatro llevó al diseño de teatros con propiedades acústicas tales que todo el público pudiera escuchar a los actores. Como ejemplo, en Epidauro todavía podemos ver uno de los teatros mejor conservados de la antigüedad, construido en el 350 a.n.e. y cuyo diseño semicircular, una pared detrás del escenario y un graderío con gran inclinación tiene propiedades acústicas que aún nos sorprenden.

El sonido, finalmente, es tan sólo una onda que se difunde por un medio a partir de un objeto que vibra, como nuestras propias cuerdas vocales. Al moverse hacia adelante, el objeto comprime las moléculas del aire frente a él y, al moverse hacia atrás, las expande. La onda resultante, se transmite así por cualquier medio líquido, sólido o gaseoso, aunque nosotros nos interesamos más por la propagación del sonido a través del aire, que es como más usualmente lo percibimos.

La acústica científica

El estudio del sonido encontró a su Cristóbal Colón en el alemán Ernst Florens Friedrich Chladni, nacido en 1756 en Wittenberg. Desde muy joven, Ernst mostró interés por la música y por la ciencia, dos disciplinas que no eran bien vistas en modo alguno por su padre, Ernst Martin Chladni, profesor de leyes en la universidad de la misma ciudad, quien optó por obligar a su hijo a estudiar leyes.

Chladni obtuvo su título de leyes en 1782 en la Universidad de Leipzig, el mismo año que murió su padre, por lo cual no practicó nunca como abogado sino que se dedicó a sus pasiones originales.

Como músico aficionado, Chladni inventó dos instrumentos derivados de la armónica de vidrio, en la que una serie de piezas de cristal giratorias son pulsadas con los dedos humedecidos para provocar su vibración, el mismo principio utilizado por quienes interpretan melodías con copas de vidrio afinadas según la cantidad de líquido en su interior.

Pero su interés en la ciencia del sonido lo llevó de vuelta a las primeras observaciones de Pitágoras. Si un cuerpo que vibra provoca el sonido, ¿qué pasa cuando hacemos vibrar un cuerpo determinado?

Para averiguarlo, Chladni utilizó placas metálicas y de vidrio recubiertas de arena que hizo vibrar pasando por sus bordes un arco de violín. El asombroso resultado es que las vibraciones provocan que la arena se acumule en patrones simétricos, conocidos como “figuras de Chlandi”, que permiten ver las vibraciones de las ondas sonoras en un cuerpo sólido. Publicó los resultados de sus experimentos en 1787 atrayendo la atención de la sociedad europea de su época. Aprovechó este interés para empezar una serie de viajes por Europa en los que se presentaba en público para interpretar música en sus instrumentos y a demostrar las figuras de Chladni.

Como él mismo lo hacía notar, aunque desde tiempos de los griegos se había llegado a una sólida comprensión de cómo una cuerda que vibra produce sonido, no se sabía prácticamente nada de cómo lo producían las placas sólidas.

Al vibrar una placa, desplaza la arena en su superficie, que se acumula en las zonas donde no hay movimiento, llamadas “curvas nodales”. Las curvas varían en función del material del que está construida la placa y de la forma de ésta.

Chladni también estudió las vobraciones de varillas cilíndricas y en forma de distintos prismas. El análisis d el tono de varillas de distintas longitudes le permitió deducir la velocidad del sonido en los sólidos. Después experimentó llenando instrumentos de viento con distintos gases y utilizando los tonos que producían para determinar la velocidad del sonido en dichos gases. Sus estudios ampliados se publicaron en el libro Die Akustik (la acústica) de 1802.

Chladni era, además, un excelente experto en relaciones públicas. Sus viajes le permitieron conocer a grandes personajes de la europa del siglo XIX como Goethe o el matemático Laplace, mientras que sus demostraciones ante Napoleón en 1808 hicieron que éste ordenara que se realizara la traducción al francés de Die Akustik.

El trabajo de este pionero no fue solamente valioso para la ciencia. Hoy en día es común que durante la fabricación de instrumentos con caja de resonancia como los violines o las guitarras acústicas las tapas se sometan a vibraciones para determinar sus propiedades acústicas según las figuras de Chladni que forman. Las características de muchos instrumentos que nos deleitan proceden así del trabajo del hombre que no quiso ser abogado.

“Vienen del cielo”

Ernst Chladni fue también un entusiasta y coleccionista de meteoritos. Consultando diversos documentos, postuló que las bolas de fuego que se podían ver en el cielo y los meteoritos que se podían encontrar en tierra eran lo mismo. Aunque la opinión de los más racionales se inclinaba por creer que los meteoritos eran objetos lanzados por volcanes u otros fenómenos terrestres, en un folleto de 1794 Chladni propuso que, dada la velocidad de las bolas de fuego, debían provenir del espacio exterior. Pasaron 10 años para que, gracias a los estudios de otros científicos, se aceptara generalmente el origen extraterrestre de los meteoritos.