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“Tin tin sonando con sì dolce nota, che ‘l ben disposto spirto d’amor turge” come recita il canto X del Paradiso di Dante Alighieri. Anche senza scomodare il sommo poeta, a noi capita spesso di usare fenomeni, come la voce, che ci accompagnano quotidianamente, senza fermarci mai a pensare come funzionano. Che cosa è il suono? Come arriva alle nostre orecchie? Quale è la differenza tra suono e rumore? La velocità del suono è uguale nei gas e nei liquidi? Si possono ascoltare suoni provenienti da altri pianeti?
Quando pronunciamo una parola, l’aria proveniente dai polmoni fa vibrare le nostre due corde vocali. La vibrazione è così veloce che le molecole di aria non riescono a scivolare intorno. E allora le molecole a contatto con le corde vengono spinte e trasmettono il movimento alle molecole vicine, creando una pressione che, molecola dopo molecola, esce dalla bocca e si muove spingendo strati di aria posti sempre più lontano. Questa “onda di pressione” sonora alla fine arriva alle nostre orecchie, facendo vibrare la membrana del timpano. Il timpano trasmette le sue vibrazioni ad alcuni ossicini collegati alla coclea dove la vibrazione stimola le cellule nervose che generano impulsi elettrici trasmessi alla parte del cervello addetto alla percezione dei suoni.
Tutti i fenomeni sonori si comportano in un modo simile all’esempio della voce: all’inizio c’è sempre una forza che genera una vibrazione (le dita che bussano sulla porta e la fanno vibrare, le eliche del motore che girano e muovono l’acqua dove sono immerse, il fiato che urta le pareti interne del flauto…); poi le molecole del mezzo (aria, acqua) a contatto con la sorgente sonora vengono mosse e trasmettono questa spinta alle molecole vicine e così via fino alle nostre orecchie. Ovviamente, il tipo di suono (acuto, grave, forte, debole) dipende dalla frequenza e dall’ampiezza della vibrazione. È chiaro che se busso su due porte simili, una di legno e una di metallo, queste vibrano in modo diverso a causa della diversa struttura ed elasticità di legno e metallo. Lo stesso avviene quando due strumenti musicali differenti, ad esempio pianoforte e violino, emettono la stessa nota. Anche quando l’ampiezza e la frequenza sono le stesse, il nostro orecchio percepisce due suoni differenti. Ciò che consente di distinguere i due strumenti è il “timbro” della nota. Il timbro è l’effetto della somma di diverse frequenze emesse contemporaneamente dallo strumento musicale. Quando suoniamo, ad esempio, la nota La della terza ottava del pianoforte, ascoltiamo un’onda che vibra a 440 cicli al secondo, ma anche onde a 880 cicli, 1320 cicli e così via, ovvero frequenze che risultano multiple di quella fondamentale e che vengono chiamate “armoniche”. In realtà vengono emesse anche frequenze che non sono multipli della fondamentale: ad esempio, la nota Do di un violino contiene anche il Mi, il Sol ed il Si bemolle. L’ampiezza di ciascuna delle frequenze emesse da uno strumento rendono l’onda risultante unica, diversa da strumento a strumento, ma anche diversa per lo stesso strumento suonato in una sala da concerto o in una cattedrale. In questo caso, lo spazio circostante agisce sul suono amplificando alcune frequenze ed assorbendone altre, cioè variando il timbro.
Oltre alle note emesse dagli strumenti musicali ci sono onde sonore meno piacevoli, i rumori. Qual’è la differenza tra suono e rumore? Il rumore corrisponde a una vibrazione irregolare, non periodica della sorgente sonora, ed è composto dalla somma di tante frequenze. Una nota musicale differisce da un rumore per il fatto che la sua onda di pressione ha una forma, un profilo di intensità che si ripete tale e quale dopo un certo periodo di tempo. Ad esempio, nel caso della voce umana le consonanti sono rumori prodotti da lingua, labbra, palato, denti, che corrispondono a onde non periodiche. Invece le vocali (a e i o u) sono suoni, selezionati cambiando forma e ampiezza della bocca, che funge da cavità risonante rinforzando alcune frequenze e assorbendone altre. Ad esempio, nella figura è riportata la successione temporale delle onde della voce umana registrate con un personal computer. Sopra: onda della lettera “A” pronunciata per un istante. In mezzo: lettera “K” pronunciata per un istante. Sotto: lettera “A” cantata per qualche secondo.
Come si può notare, il suono dovuto al canto (terza curva) è molto regolare, periodico e costituito da poche frequenze. La vocale pronunciata per un istante (prima curva) è meno regolare, ma contiene una certa periodicità. La consonante “K”, invece, mostra una scarsa periodicità ed ha una forma irregolare dovuta alla somma di tante frequenze che la fanno percepire come rumore.
A quale velocità si muove il suono? La velocità del suono dipende dalla densità e dalla compressibilità del mezzo (gassoso, liquido, solido) dove si propaga. È intuitivo che, per la stessa vibrazione, la velocità sarà minore in un mezzo a più alta densità (massa diviso volume) perché più le molecole sono dense, più forza è necessaria a muoverle. Ed è facile capire che, per la stessa vibrazione e la stessa densità, la velocità è minore in un mezzo con maggiore compressibilità (capacità delle molecole di avvicinarsi, riducendo il volume occupato), perché la spinta ricevuta dalla sorgente vibrante viene in parte utilizzata ad avvicinare le molecole, rallentando il processo di spostamento del suono. Ovviamente, le sostanze solide e liquide hanno una piccola compressibilità perché le loro molecole e atomi sono già molto vicini, e quando una forza cerca di comprimerli intervengono forze repulsive che si oppongono all’avvicinamento. Al contrario, i gas sono caratterizzati da una grande distanza tra particelle, e possono essere più facilmente compressi. Ad esempio, l’acqua ha una densità 770 volte maggiore dell’aria, e una compressibilità quindicimila volte minore di quella dell’aria. Di conseguenza, la compressibilità compensa e supera l’effetto della densità, e la velocità del suono nell’acqua è di 1460 metri al secondo, più di quattro volte superiore alla velocità del suono nell’aria di 331 metri al secondo. I solidi sono più densi ma molto meno comprimibili dei liquidi, sicché la velocità del suono in un solido è più elevata che nei liquidi e nei gas. Ad esempio, nel rame la velocità del suono è circa di 4500 metri al secondo.
Partendo dai concetti esposti, il lettore potrà avventurarsi nel trovare la spiegazione di alcuni eventi sonori quotidiani, dallo stridio del gesso sulla lavagna, allo schiocco delle dita, al sibilo della valvola della pentola a pressione. Rimane un’ultima curiosità: cosa accade al suono quando non c’è aria o altro mezzo dove propagarsi? Questa è la situazione di un astronauta che fa una “passeggiata spaziale” fuori dalla navicella. Nel vuoto (mancanza di atomi e molecole) le vibrazioni dell’astronave non possono “spingere” nulla, quindi non c’è onda di pressione, e nessun suono fa vibrare il timpano dell’astronauta. E allora, diffidate dei film di fantascienza dove l’inquadratura di una astronave nello spazio è accompagnata dal roboante suono dei motori…