Introducción

Hasta ahora hemos podido comprobar que el sonido se propaga en todas las direcciones de la misma forma que lo hace la luz, y cuando esto ocurre dicha propagación puede ser afectada por cualquier otro medio material o elástico que no sea el aire, y de aquí se generan importantes fenómenos intrínsecos como el de la reflexión, absorción, transmisión los cuales ya hemos analizado, en esta oportunidad estudiaremos de forma general a los fenómenos de la difracción y refracción del sonido.

Continuamos ampliando el conocimiento relacionado al esencial fenómeno del sonido, esto desde el punto de vista de la teoría geométrica la cual considera al sonido como un conjunto de rayos sonoros, y de esta manera sin poseer entidad física alguna, debido a que la propagación de dichos rayos los consideramos como líneas, y las mismas perpendiculares a los frentes de ondas emitido por una determinada fuente sonora.

Durante el fenómeno de la difracción un determinado frente de ondas o rayos sonoros pueden tanto rodear un objeto u obstáculo o también pueden pasar o propagarse por medio de un pequeño orificio, pero es importante resaltar que el impacto de este fenómeno dependerá de la proporción entre la longitud de las onda con el tamaño del orificio u obstáculo, ya que dependiendo de la anterior relación la difracción será de menor a mayor efecto durante la propagación del sonido en un determinado recinto o espacio abierto.

Al relacionarnos con el fenómeno de la refracción podemos expresar que el mismo está relacionado con el cambio de dirección que experimentan los rayos sonoros cuando pasan de un medio material a otro de la misma forma como ocurre con la luz, por lo tanto, el sonido al propagarse por diferentes medios materiales su velocidad se ve afectada y en consecuencia ocurre el cambio de dirección, cambio que en los rayos luminosos es más fácil de observar siempre y cuando la longitud de onda de estos rayos luminosos se encuentren en la fracción espectral de la luz blanca o visible a nuestros ojos.

En cuanto a los rayos sonoros por poseer longitudes de ondas imperceptibles a nuestros sistemas ópticos naturales (ojos) no lo podemos observar, sin embargo, podemos utilizar otro de nuestros sentidos como el oído para poder captar la diferencia del sonido entrante y saliente de determinados medios materiales, claro está, siempre y cuando este sonido se encuentre en el espectro o campo audible para el ser humano, esto es importante ya que a nuestro alrededor pueden ocurrir diversos fenómenos de refracción del sonido pero no son posible captarlo, en las próximas entregas estaremos profundizando en estos tipos de sonido que no están al alcance de nuestros oídos, como el infra y ultrasonido.

Es importante expresar que la refracción del sonido dependerá de los medios materiales por los cuales pasan sus rayos sonoros, resaltando que esto también es posible que ocurra en un mismo medio material pero a condiciones diferentes de temperatura, densidad, elasticidad, presión, entre otros aspectos característicos de medios no homogéneos, sin embargo, la rapidez de los rayos sonoros al atravesar un sólido o líquidos varía muy poco al cambiar su temperatura, pero lo contrario ocurre con el aire o gases ya que al aumentar la temperatura se eleva las probabilidades para que las moléculas choquen entre sí.

Difracción del sonido

El fenómeno de la difracción lo podemos captar en cualquier espacio donde nos encontremos, cuando los rayos sonoros se propagan desde una determinada fuente de sonido es posible que estos desarrollen el efecto de la difracción, bien sea porque los mismos rodean un cuerpo u objeto obstaculizador, o también puede ocurrir que se propaguen por medio de un pequeño orificio, resaltando que el efecto de este fenómeno dependerá de la relación entre la longitud de onda de los rayos sonoros y el tamaño bien sea del orificio u obstáculo.

Lo antes descrito nos lleva a expresar que si estos rayos sonoros consiguen en su camino un orificio u obstáculo grande en relación a su longitud de onda, tendremos una difracción leve o pequeña, por lo tanto, dichos rayos pasaran en línea recta de la misma manera como lo realizan los rayos luminosos, pero también es posible que estos rayos sonoros se vean obstaculizado por un orificio u objeto cuyo tamaño es menor o similar a su longitud de ondas, se tendría un efecto de difracción grande, esto hace que la propagación de estos rayos sonoros bajo estas condiciones se dispersen como si los mismos se emitieran de una fuente sonora puntual en esa abertura, a continuación observaremos este tipo de difracción en la siguiente figura 1.

Figura 1. Difracción del sonido

En la figura 1, pudimos notar dos tipos de difracción de los rayos sonoros, cuando tenemos un orificio pequeño y la longitud de onda es mayor, entonces, en consecuencia el efecto de difracción es grande, y el otro caso cuando la abertura u orificio es más grande que el anterior muy similar a la longitud de onda de los rayos sonoros emitidos, entonces, el efecto de la difracción es pequeña, a continuación observaremos otro ejemplo de difracción en la siguiente figura 2.

Figura 2. Difracción del sonido sobre una pared, zona de sombra acústica

En la siguiente figura 2, pudimos observar la eficiencia o acción de una pared o barrera acústica con la finalidad de disminuir en un determinado momento la intensidad de sonido en un punto que actúa como receptor, es importante resaltar que la sombra acústica estará vinculada a la apertura o movilidad de dicha barrera o también a la longitud de onda de los respectivos rayos sonoros.

Refracción del sonido

Cuando hablamos del fenómeno de la refracción del sonido nos estamos refiriendo al cambio o desvío de dirección que experimentan ciertos rayos sonoros al pasar de un determinado medio material a otro, esto se debe a que la velocidad de los mismos se ve afectada por las diferentes características entre un medio y otro, tal y como ocurre con la velocidad de los rayos luminosos al pasar por medios distintos.

Es importante resaltar que este fenómeno de igual manera se puede dar en un mismo medio material tal como el aire, esto básicamente ocurre cuando las propiedades o características de dicho medio no son similares u homogéneas, por ejemplo, por lo general, varían de acuerdo a su densidad y temperatura, condiciones necesarias para que los rayos sonoros se refracten en un mismo medio tal como el aire.

De acuerdo a lo antes expresado, podemos decir, que cualquiera de nosotros podemos notar fácilmente que por lo general la temperatura del aire en un día soleado no es igual que la temperatura en la noche, por ejemplo, en el día con el Sol, las respectivas capas de aires cercanas a la corteza terrestre se encuentran a mayor temperatura que aquellas capas por arriba de estas, por lo tanto, tenemos que la velocidad de los rayos sonoros se incrementa con el aumento de la temperatura.

El incremento de la velocidad de los rayos sonoros en relación al aumento de temperatura en un medio material o elástico como el aire se debe a que sus moléculas oscilaran con mayor rapidez, y como ya hemos expresado que el sonido es transmitido por una vibración, esto hace que el sonido sea transmitido con mayor velocidad, siempre teniendo en cuenta que este análisis en cuanto a un mismo medio material como el aire en este caso, por lo tanto, de acuerdo a todo lo antes expuesto tenemos, generalmente en el día las capas inferiores o más cercanas a la corteza terrestre permiten debido a su alta temperatura que los rayos sonoros se propaguen con mayor velocidad que en las capas superiores.

Pero no podemos decir lo mismo en las noches, ya que ocurre lo contrario, debido a que las capas de aire más cercanas a la tierra logran enfriarse más rápido que aquellas capas que se encuentran seguidamente arribas de estas, por lo tanto, los rayos sonoros emitidos desde la superficie, en las capas frías se doblaran o curvaran hacia abajo y en las capas caliente hacia arriba y esto en relación con la temperatura, como pueden observar en la siguiente figura 3.

Figura 3. Refracción del sonido en el aire a condiciones de temperatura diferentes

En la anterior figura 3, podemos observar el fenómeno de la refracción de los rayos sonoros en un mismo medio como el aire, es decir, cuando un mismo medio no es homogéneo ocurre dicho fenómeno con la diferencia estará en la dirección de refracción de los rayos sonoros bien sea hacia arriba o hacia abajo, generalmente dependerá tanto de la temperatura y densidad de dicho medio, resaltando de esta manera que en las noches podemos tener mayor alcance para escuchar un sonido debido a que en las capas frías, dichos rayos sonoros se refractan hacia abajo.

Otro ejemplo de la refracción de los rayos sonoros en un mismo medio material como el aire, lo representa el hecho cuando dos personas ubicadas a extremos diferentes de un determinado acuífero o espejo de agua hacen el intento de comunicarse, de seguro que a primeras horas de la mañana o en la noche será más efectiva dicha comunicación ya que por la baja temperatura la capa de aire que se encuentre arriba del agua estará más fría y de esta manera más densa, por lo que el sonido se refractara hacia abajo, lo contrario ocurre al calentar el Sol al llegar la tarde y con ello el aumento de la temperatura como pueden observar en la siguiente figura 4.

Figura 4. Otro ejemplo de refracción de los rayos sonoros en un mismo medio material

Es importante expresar que este tipo de fenómeno de refracción por lo general ocurre con mayor efecto cuando los rayos sonoros pasan de un medio material o elástico a otro diferente, y con ello la velocidad de dichos rayos sonoros se ven afectado, por lo tanto, en ocasiones el sonido puede viajar por diferentes medio en su propagación y de esta manera los mismos se curvaran de distintas maneras en varias ocasiones como pueden observar en la siguiente figura 5.

Figura 5. Refracción del sonido en diferentes medios materiales o elásticos

En la anterior figura 5, notamos como la propagación del sonido al pasar de un medio material a otro se refracta o su curva, y esto claramente está relacionado con la velocidad de los rayos sonoros en cada uno de los medios señalado, en donde, la emisión del sonido parte del aire, se refracta hacia arriba en el medio agua y madera debido al incremento de la rapidez que experimenta el sonido al pasar de un medio a otro, y luego llega al aire nuevamente, en donde, existe una disminución considerada de la propagación de la velocidad.

Conclusión

Estos fenómenos son posible captarlos en cualquier espacio-tiempo, en donde nos encontremos, a pesar que en muchos de los casos ni nos damos cuenta que estos ocurren, pero lo importante es tener en cuenta que cuando el sonido se propaga en nuestro medio exterior se conseguirá en su camino diversos obstáculos que afectaran de alguna u otra manera su recorrido, esto lo hemos podido comprobar al analizar hasta ahora los fenómenos de la reflexión, absorción, transmisión y en esta oportunidad el de la difracción y refracción.

Estos fenómenos los podemos encontrar y observar mejor en la propagación de los rayos luminosos como pudimos observar en cada una de las entregas relacionada a la óptica geométrica, sin embargo, el análisis de dichos fenómenos durante la propagación del sonido es muy importante, ya que podemos comprender el comportamiento de los rayos sonoros en determinados lugares bien sea cerrado o abierto.

Muchas áreas de nuestras vidas están estrechamente vinculadas con el entendimiento de estos fenómenos, y esto lo estaremos desarrollando en las próximas entregar de esta serie temática, en donde, encontraremos al sonido y varios de los anteriores fenómenos antes descritos, como importantes aplicaciones en esenciales áreas como la medicina.

Es importante tener en cuenta para el fenómeno de la refracción que un determinado medio material pondrá mayor resistencia al paso de los rayos sonoros dependiendo tanto de su densidad como de su elasticidad, recordemos que la densidad de un determinado medio material o elástico constituye la cantidad de masa por unidad de volumen.

Hasta otra entrega mis apreciados lectores de Hive.blog, en especial a los miembros de las comunidades de #STEM-Espanol, los cuales reciben el apoyo de la comunidad de #stemsocial, por lo cual recomiendo ampliamente formar parte de este maravilloso proyecto, ya que nos permiten resaltar la gran tarea de la academia y el gran esfuerzo que realiza constantemente el campo de la ciencia.

Nota: Todas las imágenes son de mi autoría y fueron elaboradas usando Power Point y el gif animado fue elaborado con la aplicación de PhotoScape.

Referencias Bibliográficas

[1]Charles H. Lehmann. Geometría analítica.

[2]Aplicación de la acústica en la ingeniería.

[3]Física del sonido.

[4]ACÚSTICA Gráfica.

[5]Refracción del sonido.