Che cos’è il suono? Come si trasmette attraverso la materia e quali sono i meccanismi della sua percezione? Qualche esperienza scientifica facile e divertente (da fare a casa o a scuola) per capire questo fenomeno.
Da dove vengono i suoni? Come sono prodotti? La musica, la voce umana, il rumore di un oggetto che cade o di un liquido che cola, gli agenti atmosferici… sembra strano ma tutti questi suoni sono prodotti nella stessa maniera : grazie a una vibrazione.
Un oggetto che vibra produce una variazione della pressione dell’aria che si propaga come un’onda fino alle nostre orecchie, gli organi di senso che permettono la percezione della vibrazione e la trasformano in messaggio per il cervello. Nel caso della musica l’oggetto che vibra può essere una corda (chitarra, violino), la pelle di un tamburo, un disco metallico (i piatti), o l’aria in un tubo (flauto, organo). Per quanto riguarda la voce umana sono le corde vocali che vibrano: basta toccarsi la gola quando si parla per rendersene conto. Ma esistono numerose altre fonti di vibrazione: oggetti urtati, superfici strofinate, eccetera.
Come si propaga il suono?
Per poter essere percepito, un suono deve viaggiare dalla sua fonte fino alle nostre orecchie, attraversando la materia che separa questi due punti. Nella maggior parte dei casi la materia da attraversare è l’aria, ma può essere l’acqua se stiamo facendo un’immersione subacquea o il muro se il suono proviene dalla stanza accanto. In tutti i casi, la materia è composta da atomi che si scontrano tra di loro trasmettendosi così la vibrazione. Ecco perché nello spazio non ci sono suoni: nel vuoto non ci sono atomi! Purtroppo le rumorose battaglie spaziali dei film non potranno mai essere altro che finzione …
Il suono si trasmette meglio attraverso i gas, i liquidi o i solidi? Cerchiamo la risposta con 4 esperienze pratiche
1. Il sale che saltella
Piccola sfida: come far muovere del sale (o del pepe) senza toccarlo e senza soffiare? Stendiamo una pellicola alimentare su un’insalatiera (meglio se di vetro) e versiamo sopra un po’ di sale. Potremo farlo saltare… gridando molto forte!
Il nostro grido genera una vibrazione dell’aria che, arrivata fino ai granelli di sale, li fa muovere. Con questa esperienza dimostriamo che il suono si trasmette attraverso l’aria. Otteniamo lo stesso effetto se mettiamo un po’ di sale vicino a una cassa che trasmette suono ad altissimo volume.
2. I due palloncini
Prendiamo due palloncini. Riempiamo il primo con aria (soffiandoci dentro) e il secondo con acqua di rubinetto. Chiudiamoli con un nodo. Ora mettiamo i due palloncini sulle orecchie e con un dito diamo loro un colpetto. In quale sentiamo il rumore più forte? Possiamo constatare che il rumore più forte si sente quando colpiamo il palloncino pieno d’acqua. D’altronde chi ha avuto l’occasione di sentire il rumore di un sasso che cade sul fondo marino sa molto bene che i suoni in acqua sono amplificati!
3. Il telefono a fili
Prendiamo due bicchieri di plastica e attacchiamoli tra di loro con un lungo filo, facendolo passare attraverso un piccolo foro che avremo fatto sulla base dei bicchieri. Tendiamo il filo e mettiamo due persone alle due estremità del nostro “telefono”: una persona sussurra in un bicchiere e l’altra ascolta appoggiando il bicchiere sull’orecchio. Anche a una distanza di 20 metri la persona che ascolta riesce a sentire. Infatti il suono si trasmette molto efficacemente attraverso un solido come il filo.
4. La campana nel cucchiaino
Prendiamo un cucchiaino metallico (ma funziona bene anche con un appendino completamente metallico) e attacchiamolo a un filo di circa 1 metro con nodo al centro, in maniera cioè che le due estremità del filo restino libere e il cucchiaino sia nel centro. Ora mettiamo le estremità del filo nelle orecchie, come metteremmo degli auricolari. Assicuriamoci che il cucchiaio non tocchi niente (bisogna chinarsi in avanti per evitare che il cucchiaino tocchi la nostra pancia). Ora chiediamo a qualcuno di colpire il cucchiaino con un altro oggetto metallico, per esempio un altro cucchiaio (attenzione… non troppo forte!). Sentiremo un forte rumore di campane. Questo suono non è altro che il rumore del cucchiaino molto amplificato.
A partire da queste 4 esperienze si deduce che il suono si propaga meglio nei liquidi e nei solidi che nei gas, come l’aria, come sapevano benissimo gli Indiani d’America che “ascoltavano” il suolo per capire se i cowboy o qualche mandria di animali stesse arrivando.
La spiegazione è che nei liquidi e nei solidi, a differenza dei gas, gli atomi sono più vicini tra loro e sono legati da legami chimici. Di conseguenza il suono si propaga a velocità diverse secondo i materiali: è stato calcolato che la velocità del suono è di circa 330 m/s attraverso l’aria, di 1460 m/s attraverso l’acqua e di 3320 m/s attraverso l’acciaio.
Come percepiamo il suono?
Il suono, ricevuto dal padiglione auricolare che rappresenta l’orecchio esterno, arriva sotto forma di onda al timpano, una membrana presente nell’orecchio medio. A questo punto la vibrazione si trasmette attraverso tre piccoli ossicini (martello, incudine e staffa) all’orecchio interno. All’interno di quest’ultimo ci sono delle cellule speciali che trasformano l’energia meccanica della vibrazione in segnale elettrico che arriva al cervello tramite il nervo auditivo. Il cervello traduce l’impulso elettrico in percezione del suono.
Se una delle strutture dell’orecchio o del circuito cerebrale dell’udito non funziona, si parla di deficit uditivo. I sordi però possono sentire qualche suono, soprattutto le vibrazioni di bassa frequenza, sotto forma di vibrazioni sul loro corpo. Si tratta di una sensazione simile a quando, in discoteca o durante un concerto, le casse trasmettono suono a fortissimo volume.
L’udito degli altri animali
Un gran numero di animali percepisce i suoni, ma non sempre come noi. I mammiferi, in generale, hanno un orecchio che assomiglia al nostro. Invece altri animali sentono attraverso strutture molto diverse. I serpenti per esempio sentono le vibrazioni del suolo su tutto il corpo e in particolare nella mascella. Certi insetti possiedono delle specie di timpani sulle zampe. I pesci hanno un orecchio interno ma usano anche la linea laterale, un organo che serve a cogliere i movimenti dell’aqua.
Certi animali, inoltre, possono sentire dei suoni che noi non sentiamo. Per esempio i pipistrelli e i delfini sentono (ed emettono) ultrasuoni, dei suoni molto acuti. Gli elefanti e le balene, invece, emettono e ricevono infrasuoni, dei suoni molto gravi.
Si sa che i pipistrelli usano le emissioni e la percezione di ultrasuoni per orientarsi nello spazio e trovare le prede. Ma anche molti animali usano suoni al di là della soglia della nostra percezione per l’ecolocalizzazione e la comunicazione con i loro simili: i topi, i toporagni, i tarsi delle Filippine, certi cetacei e certi uccelli.
E gli altri esseri viventi?
Dagli anni ’80 si sa che certi batteri come Bacillus carboniphilus o Escherichia coli reagiscono a certi suoni aumentando la crescita della colonia. Altri batteri, come Bacillus subtilis, producono dei suoni. Una spiegazione possibile potrebbe essere che anche i micro-organismi utilizzano i suoni per comunicare…
Per quel che riguarda le piante, siamo ancora allo stadio di studi preliminari, ma è stato provato che le radici di giovani piantine di mais, sottoposte a un suono di una frequenza di circa 200 Hz, crescono in direzione del suono, e recentemente che le radici delle giovani piantine di pisello crescono nella direzione di una sorgente d’acqua, anche in assenza di gradiente di umidità.
Per saperne di più sull’uso dei suoni e su altri talenti insospettabili delle piante, potete leggere il mio capitolo nel libro collettivo La science à contre-pied, pubblicato in lingua francese.
Questo articolo è stato illustrato da Professeur Seedious ed è stato pubblicato a febbraio 2017 su Cosinus, un giornale di matematica e scienze per ragazzi in lingua francese.
Per saperne di più
La science à contre-pied, Editions Belin
Gagliano M. et al., 2012, « Towards understanding plant bioacoustics », Trends in Plant Science, Volume 17, Issue 6, p323–325
Gagliano M. et al., 2012, « Acoustic and magnetic communication in plants: is it possible? », Plant Signaling and Behavior, Vol. 7, p. 1346-1348
Michio Matsuhashi et al. 1998, «Production of sound waves by bacterial cells and the response of bacterial cells to sound», The Journal of General and Applied Microbiology 44(1):49-55