PK-EN-22-AG Transmisión del sonido en el agua

En la vida cotidiana, sabemos que el sonido desempeña un papel fundamental en la comprensión y
exploración del entorno que nos rodea. El sonido se transmite en el agua como una onda mecánica
que necesita un medio para propagarse. En este caso, las moléculas de agua transmiten la
energía de las vibraciones generadas por una fuente sonora. A diferencia del aire, el agua es un
medio mucho más denso, lo que afecta la velocidad y la manera en que se propagan las ondas
sonoras.
La velocidad del sonido en el agua es significativamente mayor que en el aire, alcanzando
aproximadamente 1,500 metros por segundo, en comparación con los 343 metros por segundo en
el aire. Esta diferencia se debe a la mayor densidad y elasticidad del agua. La temperatura,
salinidad y presión también influyen en la velocidad del sonido en el agua: un aumento en
cualquiera de estos factores generalmente incrementa la velocidad.
El sonido viaja más lejos en el agua que en el aire debido a la menor absorción de energía, pero
las altas frecuencias se atenúan más rápidamente que las bajas frecuencias. Por esta razón, los
sonidos de baja frecuencia, como los emitidos por ballenas y submarinos, pueden recorrer grandes
distancias bajo el agua.
Este fenómeno tiene aplicaciones prácticas en tecnologías como el sonar, utilizado para la
navegación y detección de objetos bajo el agua. También es crucial para la comunicación de
especies marinas, que dependen del sonido para interactuar en un entorno donde la luz se disipa
rápidamente y la visión es limitada.

In everyday life, we know that sound plays a fundamental role in understanding and exploring the
environment around us. Sound is transmitted in water as a mechanical wave that needs a medium
to propagate. In this case, water molecules transmit the energy of the vibrations generated by a
sound source. Unlike air, water is a much denser medium, which affects the speed and way in
which sound waves propagate.
The speed of sound in water is significantly greater than in air, reaching approximately 1,500
meters per second, compared to 343 meters per second in air. This difference is due to the greater
density and elasticity of water. Temperature, salinity and pressure also influence the speed of
sound in water: an increase in any of these factors generally increases the speed.
Sound travels farther in water than in air due to less energy absorption, but high frequencies are
attenuated more quickly than low frequencies. For this reason, low-frequency sounds, such as
those emitted by whales and submarines, can travel great distances underwater.
This phenomenon has practical applications in technologies such as sonar, used for navigation and
detection of underwater objects. It is also crucial for the communication of marine species, which
rely on sound to interact in an environment where light dissipates quickly and vision is limited.

Sinopsis en idioma regional (Náhuatl de la huasteca oriental)
Nopa tlatsotsonali tlen onka ipan atl kiijtosneki kenijkatsa mochiua uan kenijkatsa moskaltijtiuetsij
nopa tlatsotsonali tlen kichijchiua nopa atl ipan tlatlamantli tlamantli tlen onka ipan tlaltipaktli uan
tlen amo nelia.

La transmisión del sonido del agua se refiere al comportamiento y propagación de las ondas sonoras en el agua. Se presentarán los resultados de una investigación documental sobre el tema en que se explican conceptos sobre cómo se transmite el sonido en general, y en el agua en particular, desde el conocimiento desarrollado por la acústica subacuática, disciplina que estudia cómo se propaga el sonido dentro del agua y al estudio de las fuentes de ruido que en ella se ubican. Finalmente, presentaremos la utilidad que podría tener conocer los sonidos submarinos. En otras palabras, en esta investigación buscamos conocer cómo se transmite el sonido en el agua, y qué impacto o uso puede tener este conocimiento. Para ejemplificar cómo se transmite el sonido en el agua, se presentan tres experimentos en la sección de “proceso metodológico” del proyecto.

Porque nos interesó ya que una vez escuché a un amigo sobre el tema. Nuestro proyecto busca que se conozca la importancia de que el sonido pueda ser transmitido en el agua, esto tanto para los animales y la vida submarina y la aplicación de estos conocimientos en los humanos.

Conocer cómo se transmite el sonido en el agua, así como algunas de sus características y aplicaciones a la vida submarina y en la vida humana.

Si aprendemos y estudiamos cómo se propaga el sonido mediante el agua entenderemos cómo se transmiten las ondas sonoras que generan los sonidos, y cuál es su utilidad en el medio marino.

Conocer cómo se transmite el sonido en el agua.

Este proyecto contribuye al desarrollo del conocimiento del Objetivo de Desarrollo Sostenible “14.- Conservar y utilizar sosteniblemente los océanos, los mares y los recursos marinos”, debido a que los ecosistemas marinos dependen de un equilibrio natural en el que el sonido del agua desempeña un papel fundamental, tanto para las especies marinas como para los humanos. La conservación de los océanos, mares y sus sonidos (como el de las olas o las corrientes) es esencial para el desarrollo sostenible del medio marino.

El sonido es una vibración que se propaga a través de un medio de transmisión gaseoso (como el aire), líquido (como el agua) o sólido (como el fondo marino). Las propiedades de este medio de soporte dictan características únicas para la propagación del sonido, como se verá más adelante. El sonido es una fuerza poderosa que envuelve nuestro mundo y desempeña un papel fundamental en la comprensión y exploración del entorno que nos rodea. El sonido se transmite en el agua como una onda. En este caso, las moléculas de agua transmiten la energía de las vibraciones generadas por una fuente sonora. A diferencia del aire, el agua es un medio mucho más denso, lo que afecta la velocidad y la manera en que se propagan las ondas sonoras. Las personas y los animales marinos utilizan el sonido en el mar para llevar a cabo diversas tareas. A diferencia de la luz, que solo puede recorrer distancias cortas antes de ser absorbida o dispersada en el océano, el sonido puede propagarse a largas distancias. Por esta razón, los animales marinos utilizan el sonido para obtener información detallada sobre su entorno; es decir, dependen del sonido para realizar actividades fundamentales como buscar alimento, encontrar pareja, navegar y comunicarse. Por ejemplo, los delfines usan el sonido para localizar e identificar objetos como comida, obstáculos y otras ballenas. Al emitir chasquidos, o pulsos cortos de sonido, y escuchando el eco, pueden detectar presas individuales y navegar alrededor de objetos bajo el agua. Por lo anterior, en esta investigación buscamos conocer cómo se transmite el sonido en el agua, y qué impacto o uso puede tener este conocimiento.

Investigación Documental

Presentaremos en tres partes nuestra investigación documental, la primera relacionada con conceptos sobre cómo se transmite el sonido en general, y en el agua en particular. La segunda sobre cómo se ha desarrollado la acústica subacuática, que estudia cómo se propaga el sonido dentro del agua y al estudio de las fuentes de ruido que en ella se ubican. Finalmente, presentaremos la utilidad que podría tener conocer los sonidos submarinos.

Parte 1. Qué es el sonido

El sonido se produce mediante vibraciones creando ondas sonoras que viajan por el aire o a través de otros elementos, como podría ser el agua, cuando se percibe, éste llega al oído y de ahí al cerebro, donde se identifica y se le da un significado. El sonido se transmite en el agua como una onda mecánica que necesita un medio para propagarse. En este caso, las moléculas de agua transmiten la energía de las vibraciones generadas por una fuente sonora. A diferencia del aire, el agua 6 es un medio mucho más denso, lo que afecta la velocidad y la manera en que se propagan las ondas sonoras. El sonido tiene varias propiedades, como la frecuencia y la amplitud, la primera se mide en hertz las repeticiones por unidad de tono, que es el número de variaciones por minuto. También se compone de agudos y graves; los graves viajan de los 125 a los 250 hertz y los agudos de los 2000 a los 4000 hertz. El oído humano tiene una capacidad de percepción que va de los 20 a los 20,000 hertz, mientras que algunos animales tienen mayor alcance, como el elefante o el topo, que pueden percibir infrasonidos, o el perro y el gato que tienen un espectro mucho más amplio que el oído humano no puede captar; el caso del murciélago o el delfín alcanzan frecuencias mucho más altas. La velocidad del sonido en el agua es significativamente mayor que en el aire, alcanzando aproximadamente 1,500 metros por segundo, en comparación con los 343 metros por segundo en el aire. Esta diferencia se debe a la mayor densidad y elasticidad del agua. La temperatura, salinidad y presión también influyen en la velocidad del sonido en el agua: un aumento en cualquiera de estos factores generalmente incrementa la velocidad. El sonido viaja más lejos en el agua que en el aire debido a la menor absorción de energía, pero las altas frecuencias se rápidamente que atenúan las más bajas frecuencias. Por esta razón, los sonidos de baja frecuencia, como los emitidos por ballenas y submarinos, pueden recorrer grandes distancias bajo el agua. La segunda propiedad relevante para nuestra investigación es la amplitud; cuanto mayor, más fuerte será la sensación de sonido que se percibe. Cuando se describe un sonido como fuerte o suave, las y los científicos dicen que el sonido tiene una amplitud o intensidad alta o baja. La amplitud se refiere al cambio de presión al paso de la onda sonora. Si se aumenta la amplitud de un sonido se hace más fuerte, como cuando se sube el volumen de la radio. Si se disminuye la amplitud, el sonido será más suave, como cuando se baja el volumen. Debido a que el rango de amplitudes que el oído humano es capaz de detectar es muy amplio, se utiliza una escala logarítmica o comprimida cuya unidad es el decibelio. A partir de los 90 decibelios, el sonido puede lastimar el oído. La máxima variación tolerable es de 120 decibeles, considerada umbral de dolor; después, puede dañar la salud. (Campo, 2023)

Parte 2. Acústica subacuática

La acústica subacuática nació como disciplina a principios del siglo XX, y su desarrollo estuvo muy unido al desarrollo de la electrónica y a la tradición militar, ya que su etapa de gran desarrollo se dio a partir de la Segunda Guerra Mundial. Su estudio combina tres disciplinas: biología marina, geología y geofísica. 7 La acústica es la rama de la física encargada de estudiar la producción y la propagación de las ondas sonoras. Dentro de ella, podemos encontrar una gran multitud de campos, como la electroacústica, la acústica arquitectónica o la acústica subacuática. Esta última se refiere a la propagación del sonido dentro del agua y al estudio de las fuentes de ruido que en ella se ubican. Los sonidos en el agua se transmiten a 1500 metros por segundo, una velocidad mucho mayor que la de propagación por aire, la cual es de 350 metros por segundo. Por ello, existen los llamados canales de transmisión, lo que permite que las bajas frecuencias o tonos graves sean percibidos a grandes. Los avances en tecnología han permitido que actualmente sea posible realizar grabaciones en el fondo de océanos y mares de forma totalmente fiel, pudiendo ser almacenados en memorias flash para posteriormente ser tratados y analizados. La posibilidad de captar y analizar el sonido en el agua ha abierto diversos campos de investigación sobre la fauna del fondo marino y ha ayudado a conocer las causas de distintos fenómenos naturales. Para el éxito de la investigación acústica submarina, se utilizan los hidrófonos o micrófonos submarinos. Son dispositivos diseñados para captar fuentes de sonido en un líquido, especialmente en el agua. Existen modelos que emiten ondas sonoras por sí mismos, pero son menos frecuentes. Las ondas sonoras se encuentran presentes en el agua en forma de presión. Los hidrófonos son los encargados de convertir esta presión en energía eléctrica, es decir, en un espectro sonoro audible para el ser humano, su comprensión y estudio. Por ello, han de adaptarse a distintas presiones. Cuando distintos hidrófonos reciben señales sonoras, se puede ubicar la fuente emisora mediante triangulación. Tras ello, se representa en un monitor y se observa su posición y dirección a través de algoritmos. Sin embargo, antes de analizar el sonido registrado por el hidrófono o sonar, se debe aislar de los ruidos que contiene, como el movimiento del agua, el provocado por el hombre o el ruido térmico. Los hidrófonos son muy útiles a la hora de detectar un evento hidroacústico. Este concepto hace referencia al ruido debajo del agua, que puede ser desde el sonido causado por un animal hasta el ruido del motor de una embarcación. Es muy importante analizar la frecuencia, la amplitud y la permanencia del ruido para determinar si se trata de una anomalía hidroacústica. (IDEATEC, s/f).

Parte 3. Utilidad

Los sonidos en el mar constituyen un fascinante campo de estudio que permite sumergirnos en el mundo de la acústica submarina. 8 Los sonidos producidos por los animales marinos son muchos y variados. Los mamíferos marinos, como las ballenas azules y las marsopas, producen sonidos en una amplia gama de frecuencias, desde menos de 10 Hz hasta más de 100 kHz, dependiendo de la especie de mamífero marino. Muchos peces, como el pez sapo y el guardiamarina, y algunos invertebrados marinos, como los camarones, también producen sonidos. Los sonidos generados por las actividades humanas constituyen una parte importante del fondo acústico oceánico total y se utiliza para muchos fines valiosos, como la comunicación, la navegación, defensa, investigación, la exploración y la pesca. Sin embargo, algunos sonidos son solo un subproducto de otra actividad, como el ruido generado por los buques y por las actividades industriales en alta mar, incluidas las perforaciones y la producción de petróleo. Los sonidos submarinos pueden dotarse de características que dependen de los fines para los que vayan a utilizarse. El conocer cómo se transmite el sonido en el agua, ha permitido que se puedan diseñar sistemas de sonar. Cuando se envía una señal sonora al agua, parte de ella se reflejará si choca con un objeto. La distancia al objeto puede calcularse midiendo el tiempo transcurrido entre la señal enviada y la recepción del sonido reflejado, o eco. Por ejemplo, si la fuente y el receptor se encuentran en el mismo lugar y transcurren cuatro segundos entre la emisión del sonido y el retorno de su eco, el sonido ha tardado dos segundos en viajar hasta el objeto y dos segundos en regresar. La velocidad media del sonido en el agua de mar es de 1500 metros por segundo. Si el sonido tarda dos segundos en llegar al objeto, se calcula que el objeto está a 3000 metros de distancia (dado que distancia es igual a multiplicar la velocidad por el tiempo). El sonido puede reflejarse en cualquier objeto que se encuentre en el agua, como un submarino o el fondo del mar, donde el sonar puede utilizarse para determinar la profundidad del océano; es decir, se puede:

• Determinar la estructura de la tierra bajo el lecho marino, como los sistemas de perfilado sísmico utilizados para localizar reservas de petróleo y gas. Estos utilizan frecuencias muy bajas porque los sonidos de alta frecuencia se absorben aún más rápidamente en el lecho marino que en el océano.

• Localizar peces y obtener imágenes del fondo marino. En este caso, se descubrió que las señales de alta frecuencia, que tienen longitudes de onda más pequeñas, ofrecen una mayor resolución y pueden captar mejor la estructura detallada del objetivo que las señales de baja frecuencia. Los buscadores de peces suelen funcionar a frecuencias de 26 kHz, con una longitud de onda de unos 6 cm. Los sonares de barrido lateral 9 utilizan frecuencias de hasta 500 kHz, con una longitud de onda de 3 mm, para generar imágenes detalladas de objetos en el fondo marino. (Campo, 2023).

Otra característica importante de la señal es la duración del sonido. Por ejemplo:

• Los impulsos ecolocalización de transmitidos por los cantos de las ballenas jorobadas, pueden durar horas. Los cantos de las ballenas jorobadas (machos), sirven como llamadas de apareamiento. Es ventajoso para un canciones macho cantar largas cuando busca pareja, para que el mayor número posible de hembras escuchen la canción. Estos cantos representan una forma básica de comunicación. Incluso estos conocimientos han sido utilizados con fines bélicos, por ejemplo, durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron minas acústicas que se activaban con el sonido generado por el paso de un barco. (IDEATEC, s/f). Los sonidos en el mar nos revelan un mundo sonoro, fascinante y complejo, donde tanto la naturaleza como la actividad humana desempeñan un papel importante en la generación y percepción acústica. (Campo, 2023).

Investigación experimental

Para el proceso de ejemplificar la forma de transmisión del sonido realizamos tres experimentos. El primero de ellos (figura 1.0) se utilizaron 3 copas de cristal con 3 cantidades diferentes de agua. Como se observa en las imágenes, la cantidad de agua fue de mayor a menor. Una vez realizado esto, se procedió con colocar poca agua en el dedo y, con suficiente fuerza, frotar la orilla de la copa de cristal. La humectación del dedo sirve para que el deslizamiento fuese fluido, creando una fricción entre el dedo y la orilla para logar una vibración en toda la copa. Esta vibración es la que genera el sonido en cada copa y la cantidad de agua es lo que ayudará a variar el tipo de sonido emitido.

Fig. 1.0 Experimento para percibir las diferentes frecuencias con diferentes niveles de agua

En el segundo experimento (figura 2.0) se utilizaron dos globos de tamaño medio, una tabla y agua. Se procedió a llenar uno de los globos con agua, y el otro inflarlo con aire únicamente. 10 Posteriormente colocamos el globo de aire en uno de los extremos de la tabla para después acercar nuestro oído totalmente tocando el globo. Con la otra mano, dimos golpes suaves para poder escuchar cómo se transmitía el sonido a través del globo de aire. Hicimos lo mismo con el globo de agua para poder notar las diferencias entre la transmisión del sonido en aire y en agua.

Fig. 2.0 Experimento para percibir las diferencias de la transmisión del sonido tanto en el agua como en el aire

El tercer y último experimento (figura 3.0) se utilizó un recipiente de tamaño grande, aproximadamente de 19 litros de volumen, una tapa de envase de refresco y agua. Procedimos a llenar el recipiente con agua hasta tres cuartas partes de este, para después dejar caer la tapa en el contenedor desde una altura aproximada de 60 cm, esto con el fin de visualizar la forma de transmisión del sonido en el agua, al ver las ondas generadas al momento de caer la tapa en el agua.

Fig. 3.0 Experimento para percibir la forma las ondas de transmisión del sonido en el agua

Dentro de los resultados obtenidos en el experimento uno, logramos notar que en la copa con menos agua el sonido tiende a ser más agudo que en la copa con mayor cantidad de agua, donde el sonido que emitió fue grave. Esto se debe a que el sonido en la copa con más agua tiene mayor espacio en donde se pueda trasmitir el sonido, provocando un tono más fuerte, y en la copa con menos agua, al haber menos espacio de transmisión, el sonido no resuena tanto. En el segundo experimento observamos que en el globo con aire el sonido se escuchó menos fuerte que en el globo con agua, esto es debido a que en el aire las moléculas por donde se transmite el sonido están más separadas, en contraste con el agua en donde las moléculas, al estar más juntas proveen una transmisión de sonido más fuerte y rápida. 11 Futuras líneas de investigación En el tercer experimento observamos con detalle la transmisión del sonido. Cuando se arroja la tapa en el contenedor de agua, se alcanza a ver unas ondas transversales debido al movimiento de la tapa tocando el agua. Ese movimiento es una vibración que el agua recibió y transmitió en forma de ondas. Esa vibración es el sonido que viaja a través del agua formando ondas sonoras que se ven físicamente en forma de ondas transversales. Pasa lo mismo en el aire, solamente que es más difícil de ver tangiblemente puesto que se requiere de evidencias físicas de esa vibración, tal es el ejemplo de cuando una persona canta y llega a hacer tonos muy fuertes que alcanza a hacer vibrar cristales o algún objetos cercano.

Análisis de datos y discusión

En un análisis de datos relacionado con la transmisión del sonido en el agua, generalmente se recogen datos sobre:

• Velocidad del sonido en función de la profundidad y temperatura del agua.

• Efectos de la frecuencia en la atenuación del sonido (medida en decibelios por kilómetro, dB/km).

• Distancia máxima a la que se detecta el sonido, dependiendo de la fuente (por ejemplo, un sonar o un transductor).

Los sonidos en el mar constituyen un fascinante campo de estudio que permite sumergirnos en el mundo de la acústica submarina. Los sonidos en el agua pueden ser una herramienta educativa eficaz para involucrar a las personas en la conservación de los recursos hídricos y los ecosistemas marinos.

La investigación sobre la transmisión del sonido en el agua ha revelado una serie de aspectos fundamentales que afectan la propagación y el comportamiento de las ondas acústicas en este medio. En general, el agua, debido a sus características físicas y ambientales, ofrece un entorno único para la transmisión del sonido, el cual es considerablemente diferente al de otros medios como el aire. En resumen, la transmisión del sonido en el agua es un fenómeno complejo que depende de múltiples factores físicos. Comprender cómo interactúan estos factores es crucial para optimizar las tecnologías que dependen del sonido, tanto para la investigación científica como para las aplicaciones industriales y médicas. La investigación en esta área no solo proporciona una comprensión más profunda de los principios acústicos, sino que también abre nuevas posibilidades para la innovación tecnológica.

Campo Varela, Maria (2023), Conceptos básicos de la ciencia del sonido en el mar, Universidad de Malaga, https://acortar.link/hS6X1J

IDEATEC (sin fecha), Hidrofonos los aliados de la acústica subacuática, en linea: https://acortar.link/4LWcv4

https://es.quora.com/C%C3%B3mo viaja-el-sonido-a-trav%C3%A9s-del agua

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/ sites/ciencia/volumen1/ciencia2/17/ htm/sec_8.html

https://www.generationgenius.com/ es/leccion-de-ondas-para-ninos-i-3 a-5-i-grado-sonido-agua-longitud-de onda-amplitud/

https:// www.nationalgeographic.com.es/ ciencia/por-que-sonido-viaja-mas rapido-agua-que-aire_24324 https://marvinacustica.es/ propagacion-del-sonido-que-es-y como-funciona/