Respuestas (LIV): ¿Se puede fabricar un arma basada en la resonancia a través del sonido?

Un lector me preguntó hace tiempo si se podría fabricar un arma basada en el sonido aprovechando el fenómeno de la resonancia y no he vuelto a pensar en ello hasta que hace unos días leí este artículo de Popular Science que me sorprendió bastante.

La pregunta necesitará algo de contexto, así que vayamos por partes.

Si no sabéis qué es la resonancia, hablé de ella en esta entrada sobre el derrumbe del puente de Tacoma Narrows. Si ya conocíais este puente bailarín y queréis ver más estructuras desmoronándose sin motivo aparente, entonces echad un vistazo a este test de prueba sobre un helicóptero anclado en el suelo, cuya estructura entra en resonancia destructiva debido un desequilibrio en la distribución de la masa de las aspas.

Haciendo click aquí podéis ver un vídeo del mismo experimento, pero visto de lado.

¿Y qué puñetas tiene que ocurrir para que el movimiento de las aspas destroce la estructura del helicóptero de esta manera?

La idea general tras el fenómeno de la resonancia mecánica es la siguiente: una fuerza actúa de manera intermitente sobre un cuerpo, el cuerpo sufre un desplazamiento (o una deformación) puntual debido al impulso y luego vuelve a la posición inicial, donde la misma fuerza vuelve a actuar sobre él y amplifica el movimiento. Con esto no queda muy claro, así que voy a poner un ejemplo más gráfico.

Estamos en un parque y queremos dar impulso a un niño que está montado en un columpio. El niño es muy vago así que, para que empiece a balancearse, levantamos nosotros mismos el columpio hasta cierta altura y luego lo soltamos. Este proceso en el que aceleramos al niño desde la posición de reposo hasta una velocidad concreta nos cuesta bastante esfuerzo.

El niño oscila hacia adelante, llega hasta cierta altura y el columpio vuelve hacia nosotros de nuevo pero, cuando nos toca dar el empujón de nuevo, notamos que el esfuerzo necesario para imprimir suficiente impulso al chaval como para que llegue un poco más alto es mucho menor.  Después de cada nuevo empujón cada vez nos cuesta menos acentuar su movimiento hasta que, al final, llegará el momento en el que sin ningún esfuerzo podremos mantener el movimiento del niño sin que pierda altura. En este punto habremos alcanzado la frecuencia de resonancia del sistema niño-columpio, el momento en el cual la aplicación de muy poca fuerza basta para sostener el movimiento o incluso amplificarlo.

Pero este fenómeno no ocurre sólo a base de empujones. Cualquier medio que transmita una fuerza rítmica puede hacerlo. Aquí es donde entra la segunda parte de la pregunta: el sonido.

Un ruido no es más que una onda que se propaga a través del aire en la forma de frentes alternados de altas y bajas presiones.  Aunque no nos lo parezca porque suelen provocar cambios de presión muy pequeños en el aire, estas ondas ejercen fuerzas sobre su entorno. Hablaba sobre los frentes de alta y baja presión que conforman los sonidos en esta entrada sobre calentar cosas a gritos.

Hagamos una breve introducción al sonido un momento.

El sonido está definido por tres variables.

Por un lado está la amplitud, que es la diferencia entre la máxima y mínima presión transportada por las ondas. La amplitud determina el volumen de un ruido y suele medirse en decibelios. La escala decibélica es logarítmica, lo que significa que algo que emite el doble de decibelios no está produciendo un sonido el doble de alto: en realidad, cada 10 decibelios aumentados, la potencia del sonido se multiplica por 10. Por ejemplo, un sonido de 120 decibelios es 10 veces más ruidoso que uno de 110 decibelios.

Por otro lado está la longitud de onda o, lo que es lo mismo, lo largos que son los frentes de presión que componen el sonido. Este parámetro está estrechamente relacionado con la frecuencia, que indica lo rápido que se alternan los frentes de alta y baja presión en una onda. Cuanto más rápido se suceden los frentes de alta y baja presión en una onda sonora (y por tanto más cortos son), más agudo nos parece el ruido porque están haciendo vibrar nuestros tímpanos muy deprisa. En el caso de las frecuencias bajas (y longitudes de ondas largas) los sonidos nos parecen más graves.

En este dibujo intento plasmar cómo un frente de presión alta (rojo) empuja el tímpano hacia adentro y, cuando lo alcanza el frente de presión más baja (azul), el tímpano vuelve a su sitio. Esta alternancia es la que hace que el tímpano vibre y escuchemos ruidos.

Pero si aumentamos o acortamos la frecuencia de una onda lo suficiente (y, a su vez, su longitud de onda), independientemente del volumen de un sonido, llega el punto en que las ondas son demasiado largas o demasiado cortas como para que el movimiento que provocan en el tímpano sea perceptible. Cuando las ondas tienen una frecuencia menor a 20 pulsaciones por segundo o mayor a 20.000 pulsaciones por segundo, nuestros tímpanos no son capaces de registrarlas y es entonces cuando hablamos de infrasonidos o ultrasonidos. Pero que no podamos oírlas no significa que el aire que tenemos a nuestro alrededor no esté sufriendo cambios de presión.

En el siguiente vídeo (a partir del minuto 1:58) se pueden ver las ondas de diferentes sonidos desplazándose por el aire, captados con una técnica especial que permite ver los cambios de densidad del gas.

Ahora que nos hemos metido un poco en contexto, veamos cómo el sonido y la resonancia pueden estar relacionados.

La cuestión es que los frentes de alta y baja presión generados por el sonido, igual que son capaces de mover nuestros tímpanos, ejercen fuerzas sobre las superficies contra las que impactan. Las fuerzas generadas por las variaciones de presión de una onda sonora pueden hacer cosas como romper copas de cristal debido a que las altas y bajas presiones deforman el vidrio al empujarlo y estirarlo.

Y entonces llegamos a la siguiente pregunta: ¿En qué medida nos puede afectar  esto a los seres humanos?

No es ningún misterio que el sonido puede tener un efecto sobre el cuerpo humano: basta con acercarnos a un altavoz grande durante un concierto para notar cómo se nos remueven las tripas. Aún así, no se altavoces potentes para que el ruido penetre en nuestros cuerpos cuando aparece de por medio la resonancia.

Por ejemplo, en el artículo que he mencionado al principio se habla del caso de un “laboratorio embrujado” en el que los empleados decían ver figuras grises “fantasmales” que desaparecían cuando intentaban fijar la vista en ellas. Después de investigar el caso, se dieron cuenta de que el causante de este efecto era un ventilador. Cuando apagaron el ventilador, los fantasmas desaparecieron.

¡CLARO! ¡EL MOVIMIENTO DEL VENTILADOR ABRÍA UN PORTAL A OTRA DIMENSIÓN A TRAVÉS DEL CUAL SERES PARANORMALES PODÍAN ACCEDER A NUESTRA REALIDAD!

No exactamente.

Las aspas del ventilador dan vueltas a un número concreto de revoluciones por minuto, formando chorros de aire que confluyen en la parte frontal del aparato. Se puede ver el efecto en esta simulación:

Los ventiladores toman el aire a presión atmosférica por un lado y lo expulsan a una mayor velocidad y una presión ligeramente superior por el otro. Al moverse más deprisa, el aire facilita el intercambio de calor entre el cuerpo y el ambiente, acelerando el refrescamiento.

La cuestión es que la confluencia de todos los chorros en uno solo tiene una “pulsación” que depende de cuántas vueltas dan las aspas del ventilador cada minuto. Durante estas “pulsaciones”, aumenta ligeramente la presión del gas y ésto empuja el aire que lo rodea, generando los mismos frentes de altas y bajas presiones que componen una onda sonora.

En el caso del laboratorio “embrujado”, el ventilador estaba haciendo resonar el aire a 18.98 Hertzios (Hz), lo que equivale a 18.98 pulsaciones por segundo, que es casi exactamente la frecuencia a la que el líquido del interior de nuestros ojos entra en resonancia.

Total, que las sombras que veían los empleados del laboratorio eran el resultado del aire empujando cíclicamente los ojos, lo que provocaba que el líquido que contienen se moviera y activara los conos y bastones de la retina (que son las estructuras que captan la luz de los que hablaba en esta entrada sobre el daltonismo). El cerebro interpretaba estos cambios de presión como estímulos visuales y producía las alucinaciones.

Si os suena raro que la presión en nuestros ojos nos pueda hacer ver cosas raras, apretaros los ojos con fuerza con las palmas de las manos (tampoco os hagáis daño, no seáis bestias). Probablemente no tardaréis en ver fosfenos, esas manchas luminosas molestas que no tardan en desaparecer.

Vale, la resonancia puede afectar al cuerpo. Entonces, ¿podemos hacer vibrar a la gente hasta que se desmorone como la copa de cristal del vídeo?

De ver sombras a matar a gente con sonido hay un trecho.

Los distintos órganos que componen nuestro cuerpo entran en resonancia a frecuencias diferentes debido a su forma y composición dispares. Por separado, algunos órganos tendrían la capacidad de entrar en resonancia destructiva con “relativa” facilidad porque están rellenos de aire o líquido (es el caso de los ojos, los pulmones o el estómago) y el tejido que los compone sólo puede contraerse y expandirse hasta cierto punto antes de romperse.

Pero como estos órganos están rodeados por tejidos más compactos que limitan su capacidad para vibrar, su entrada en resonancia se dificulta una barbaridad.

Por ejemplo, la estructura craneal entra en resonancia a unos 140 decibelios y frecuencias de 9.000 o 12.000 kHz. Para hacernos una idea, un volumen de 140 decibelios es comparable al sonido emitido por los motores a reacción de un avión a 30 metros de distancia. Aunque eso no quiere decir que al aplicar un sonido de estas características se vaya a desmoronar: si tuvieras un cráneo encima de la mesa y un ruido como ese, debido a la rigidez de los huesos lo más probable es que esa cabeza se pusiera a vibrar mientras se desplaza por encima de la superficie y no pasara nada más.

En la vida real, el cráneo contiene nuestro gelatinoso cerebro, sangre y otros fluidos y está rodeado de músculos y tejido conjuntivo. Todo esto limita el movimiento del cráneo hasta tal punto que, de hecho, la frecuencia de resonancia de nuestras cabezas queda en 240 decibelios.

Y aquí aparece un “problema” (hoy es el día internacional de las palabras entre comillas): el sonido más alto que se puede generar en la atmósfera terrestre es de 194 decibelios a 0ºC y 1 atmósfera de presión. Para temperaturas del aire mayores, este valor será un poco más elevado. Cualquier perturbación por encima de ese valor deja de propagarse por el aire y empieza a empujarlo, formando lo que conocemos como una onda expansiva.

O sea, que para destruir tejido humano mediante el efecto de la resonancia tendríamos que emitir sonidos por encima de lo que consideramos sonidos. Y, más allá de ese límite, entonces simplemente estamos usando bombas.

La conclusión, por tanto es que no se puede hacer entrar a la gente en resonancia destructiva.

Aún así, algunos sonidos pueden resultar letales sin necesidad de desatar la resonancia en el cuerpo.

Ruidos cercanos a los 200 decibelios como los provocados por una bomba fuera del rango de su onda expansiva son capaces de romper el tejido pulmonar y producir embolias al introducir aire en el sistema circulatorio.

Por otro lado y siguiendo en la línea de los fantasmas que comentaba antes, la exposición prolongada a infrasonidos (aquellos que no podemos escuchar, pero están presentes) es capaz de provocar sensaciones de ansiedad, escalofríos, nerviosismo o miedo. Por eso, una de las propuestas para explicar las sensaciones extrañas que la gente experimenta en lugares “embrujados” es que realmente estén sometidos a sonidos que no pueden escuchar, pero suficientemente potentes como para afectar al tejido humano.

 

 

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5 pensamientos en “Respuestas (LIV): ¿Se puede fabricar un arma basada en la resonancia a través del sonido?”

  1. Ruidos cercanos a los 200 decibelios como los provocados por una bomba fuera del rango de su onda expansiva son capaces de romper el tejido pulmonar y producir embolias al introducir aire en el sistema circulatorio.

    Me basta con eso. Gracias por responder mi pregunta.

    1. En varias guerras, desde la Segunda Guerra Mundial, se han registrado muertes de ocupantes de bunkers y zonas blindadas con aberturas al explosionarles bombas cerca. Caian sangrando por los oidos y la boca a causa de ese efecto.

  2. Creo que esta frase no es muy afortunada: “la frecuencia de resonancia de nuestras cabezas queda en 240 decibelios”. En mi pueblo solemos medir la frecuencia en hertzios o en radianes por segundo. Salvando este detalle el artículo es muy informativo. A quien pueda interesarle le recomiendo este podcast de RadioLab (www.radiolab.org/story/96854-walls-jericho/) en el que se analiza el relato de la caída de los muros de Jericó desde una perspectiva físico-histórico-ingenieril.

  3. ” la frecuencia de resonancia de nuestras cabezas queda en 240 decibelios.”

    Me parece que no. Además en negrita. Los decibelios miden la intensidad del sonido, la resonancia es cuestión de frecuencia.

    Supongo que te refieres a la intensidad límite que se va acumulando por la resonancia hasta romper la cabeza.

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