Este artículo fue escrito por Mike Bannon
Cierra los ojos por un momento y finge que estás de picnic, a media tarde, con familiares y amigos en Central Park. A dos campos de fútbol se puede ver un partido de softball. Puedes ver a los hombres y mujeres animando mientras los jugadores golpean la pelota y corren alrededor de las bases. Se ve a un jugador deslizarse hacia el plato de inicio y se observa cómo el árbitro le da la señal de salida. Puedes ver toda esta acción, pero no puedes oírla.
Más tarde esa noche, a medida que la temperatura se enfría y otros equipos de softbol están jugando bajo las luces, se puede ver y escuchar todo claramente. ¿Por qué es así? ¿Podría ser que, durante el día, te encontraras en una sombra acústica?
Durante el día, el sol calienta la superficie de la tierra, calentando el aire cerca del suelo. El sonido viaja más rápido en aire cálido. Así que el sonido viaja más rápido en el aire cerca del suelo. Lo contrario sucede por la noche. Por la noche, el suelo se enfría rápidamente. El aire más alto es más cálido que el aire cercano al suelo. Durante el día, el sonido viaja más rápido cerca del suelo. Esto hace que la onda de sonido se refracte hacia arriba. Por la noche sucede lo contrario. El sonido más alejado del suelo viaja más rápido por la noche, lo que hace que la onda sonora se refracte hacia la tierra.
En la década de 1800, Osborne Reynolds realizó la primera prueba grabada de refracción de ondas sonoras. Puso una campana sonando, un pie por encima del suelo, y se arrastró veinte yardas. Tuvo que levantar la cabeza para oír el sonido del timbre. Luego se arrastró setenta yardas y tuvo que pararse antes de que pudiera oír el sonido del timbre.
En 2001 Charles D. Ross publicó un libro llamado Civil War Acoustic Shadows. En este artículo vamos a explorar el fenómeno de la refracción de ondas sonoras y cómo se relaciona con los sonidos de la guerra, la formación de sombras acústicas.
Refracción de ondas sonoras hacia abajo
A principios del siglo XX, con el uso de globos aerostáticos, los científicos comenzaron a aprender más sobre nuestra atmósfera y sus diferentes capas. En 1923 se documentaron cambios de temperatura atmosférica mientras se estudiaban meteoros. En 1924, Erwin Schrodinger, un físico austriaco ganador del Premio Nobel, sugirió que «los sonidos de baja frecuencia se absorberían menos en la atmósfera y, por lo tanto, se refractarían a la tierra con más fuerza que los sonidos de alta frecuencia».
Las capas que albergan nuestro ozono tienden a ser más cálidas debido a la radiación capturada del sol. Cuando la onda de sonido golpea esta capa más cálida, se refracta de nuevo hacia la tierra.
Viento
El viento también juega un papel importante en la refracción de las ondas sonoras y, en última instancia, en la distancia que recorren. El viento que viaja directamente hacia una onda de sonido que se aproxima hará que se refracte hacia arriba con mayor nitidez. El viento que viaja en la misma dirección que una onda de sonido hará que la refracción de la onda de sonido sea más gradual. En la atmósfera superior, un fuerte viento que viaja en la dirección de la ola empujará la ola más lejos y más rápido.
Refracción de ondas sonoras & Guerra
Antes de la era de la tecnología moderna, los comandantes del ejército confiaban en el sonido para guiarlos en su proceso de toma de decisiones militares. Muchas veces, en su detrimento, los comandantes tomaban decisiones basadas en lo que escuchaban. Muchos quedaron atrapados en la tierra de nadie de la sombra sonora. El primer efecto de sombra sonora registrado ocurrió en el mar entre las costas de Inglaterra y Holanda. Durante cuatro días, la Armada Inglesa luchó contra la Armada Holandesa frente a la costa de Dunkerque durante la segunda guerra anglo-holandesa. Los historiadores atribuyen la victoria a la gran Armada Holandesa. Durante la batalla, los pasajeros de barcos no combatientes situados en el mar en una zona de sombras en algún lugar entre la batalla y la costa de Inglaterra no escucharon la batalla. Por otro lado, la batalla se escuchó en varios lugares de Inglaterra.
Durante la primera Guerra Mundial, el 28 de septiembre de 1914, la artillería alemana comenzó a bombardear la ciudad belga de Amberes y las fortificaciones que protegían la ciudad. La zona de sombras acústicas comenzó aproximadamente a treinta millas de la artillería y terminó a unas sesenta millas de distancia. Después de la marca de sesenta millas, se escuchó el bombardeo de artillería alemana. La gente dentro del radio de treinta a sesenta millas de la artillería no podía oírlo.
El 19 de septiembre de 1862, el General Grant planeó atacar al General de División Confederado Sterling Price cerca de la pequeña ciudad de Iuka, Misisipi. El plan era que el General de División de la Unión William Rosecrans atacara primero a Price y luego, al escuchar la batalla, el General de División de Grant Edward Ord movería sus tropas para evitar que Price se retirara. Ord fue motivar a sus tropas después de escuchar los sonidos de la batalla. Esos sonidos nunca llegaron. Mientras el ejército de Rosecran se enfrentaba a los confederados toda la tarde, Ord y su ejército, situados en una sombra acústica, nunca escucharon los sonidos de la batalla y finalmente nunca atacaron. Price se retiró y finalmente, por el momento, salvó a su ejército.
General Longstreet (1821-1904)
En Gettysburg, el 2 de julio de 1863, el general Lee ordena al Teniente General James Longstreet que ataque las cimas redondas, el extremo sur de cemetery ridge. La cima de la colina estaba prácticamente indefensa. Lee esperaba llevar sus cañones a la cima redonda para que los confederados pudieran bombardear a las tropas de la unión con fuego de cañón. Al oír el ataque de Longstreet, el teniente General Richard Ewell atacaría por la izquierda. Debía ordenar a sus hombres que atacaran tan pronto como escuchara el bombardeo de cañones de Longstreet. Nunca escuchó los cañones de Longstreet. Ewell y su ejército se encontraron en una sombra acústica. Mientras tanto, el General de División de la Unión, George Meade, movió hombres de derecha a izquierda para detener el avance de Longstreet.
El «Waterloo»del general Lee
En 1865, Lee tenía su ejército situado fuera de la ciudad de Petersburgo, Virginia. Lee adivinó correctamente que Grant buscaría atacar su flanco derecho. Lee envió al general George Piquete con el ejército del norte de Virginia, cinco mil soldados confederados, hasta Cinco Tenedores para excavar y establecer defensas de tierra y madera. Lee entendió la necesidad de mantener abierta esta área para proteger su ferrocarril de suministros del sur.
Grant sabía de esta importancia estratégica y envió a su General de División de la Unión Phillip Sheridan para atacar el flanco izquierdo de Lee en los Five Forks. En la mañana del ataque, el General de División de la confederación Fitzhugh Lee invitó a Piquete junto con el General de División Thomas Rosser a un horno de pescado a dos millas de la línea del frente de Piquete. Piquete se olvidó de decirle a los hombres que se iba. Los historiadores especulan que no le dijo a los hombres, que probablemente estaban hambrientos y desnutridos, porque se sentía culpable.
Mientras disfrutaban de sábalo horneado y un poco de alcohol, Sheridan y sus comandantes asaltaron las defensas de Piquete en última instancia diezmando las fuerzas de Piquete y tomando miles de prisioneros. Mientras la batalla se desarrollaba a dos millas de la hornada de pescado, Piquete y los otros comandantes no escucharon nada. A última hora de la tarde, Piquete decidió enviar un mensajero para ver a sus hombres. Mientras el mensajero se alejaba a lo lejos, los generales, para su horror, pudieron ver a su mensajero hecho prisionero por las tropas de la unión que avanzaban. Piquete saltó sobre su caballo y cabalgó hacia sus hombres, pero ya era demasiado tarde.
Los confederados sufrieron una gran derrota, una que aceleraría el fin de la guerra civil. Piquete y sus comandantes quedaron atrapados en una sombra acústica. Esa tarde, mientras los generales pensaban que estaban disfrutando de una tranquila y relajante cocción de pescado, su mundo se derrumbaba.
Pruebas de bombas nucleares
En 1951, el Gobierno de los Estados Unidos detonó una bomba nuclear a sesenta y cinco millas de Las Vegas. La prueba rompió ventanas en Las Vegas. Los probadores de bombas descubrieron que las ondas de sonido de la bomba se refractaron hacia arriba y hacia abajo seis veces antes de golpear el Las Vegas. Las ondas se refractaban hacia arriba en la atmósfera y luego se refractaban hacia abajo de regreso a la superficie de la tierra cada once millas.
Calcular la velocidad del sonido en diferentes temperaturas
La velocidad del sonido a 0 grados Celsius es de 331 m/s. Por cada 1 grado Celsius añadido, la velocidad del sonido aumenta. Aquí está la fórmula para calcular el aumento de velocidad:
C = (331 + 0.6T) m / s
C = la nueva velocidad del sonido
T = la temperatura del aire en grados Celsius
Para calcular la velocidad del sonido en el aire a 30 grados:
C = (331 + 0.6 × 30) = 349 m / s
A 30 grados Celsius, la velocidad del sonido es de 349 m/s.
Conclusión
Cuando los ingenieros ambientales buscan minimizar el ruido industrial en las comunidades circundantes, deben considerar el concepto de refracción de ondas sonoras y su efecto de sombra acústica. El ruido industrial, en las áreas que rodean inmediatamente a las fábricas, será mayor por la noche que durante el día.
Eche un vistazo a la refinería de petróleo en la foto de abajo. La comunidad circundante escuchará poco de los sonidos emitidos por las pilas por encima de la refinería durante el día. Las ondas de sonido de estas fuentes finalmente se refractan hacia arriba. Las comunidades ubicadas a muchos kilómetros de distancia harán aquí este ruido. Sin embargo, durante la noche es una historia diferente. Estas ondas se refractarán directamente a la comunidad.
Digamos que una pila emite una onda de sonido a 20 metros sobre el suelo. Los ingenieros necesitan calcular el ángulo de refracción para determinar la mejor manera de combatir este fenómeno y, en última instancia, reducir los niveles de decibelios a la comunidad circundante. En un artículo de seguimiento, «Matemáticas propuestas para la Refracción de ondas de sonido», propondremos nuevas matemáticas utilizadas para calcular el ángulo de refracción (flexión) de las ondas de sonido. A finales de este año, también tenemos la intención de llevar a cabo un experimento similar al realizado por Osborne Reynolds en la década de 1800. Busque este artículo en algún momento de septiembre de 2015.