Significado de rarefacción (del aire, sonido, sísmica) Definición, compresión y tubo de rubens
Licenciada en Física
Definición formal
La rarefacción es la pérdida o disminución de la densidad de una sustancia, que puede ocurrir por diversas causas. Se presenta con frecuencia en la naturaleza, en este marco, se observa que las ondas sonoras consisten en rarefacciones y compresiones alternadas de las moléculas de aire. Esto significa que el sonido se propaga comprimiendo y expandiendo el aire por el que se desplaza, y claro está, la densidad local cambia durante el proceso.
Las ondas que viajan en el interior de la Tierra, causadas por los movimientos sísmicos, también producen rarefacciones (expansiones) y compresiones en las rocas. Por otra parte, la atmósfera terrestre disminuye su densidad cuanto más lejos se esté de la superficie, por lo cual el aire se vuelve rarificado a grandes alturas, un hecho bien conocido por los alpinistas.
Más cerca de la superficie, las personas quieren rarificar el aire de alguna región por buenas razones. A esto se le denomina “hacer vacío”. Crear el vacío es conveniente para aspirar partículas, eliminar la humedad en los alimentos, evaporar agua con más facilidad o extraer el aire cuando los constituyentes de este puedan causar una reacción química no deseada, por mencionar algunas de las múltiples aplicaciones del vacío.
En el terreno del sonido
Una fuente, tal como un altavoz, emite una perturbación que se transmite a las moléculas de aire o, en general, a las del medio en sus alrededores, sacándolas de su posición de equilibrio. Las partículas siguen la dirección del impulso o perturbación inicial, y al hacerlo, chocan con sus vecinas, agrupándose durante un breve tiempo. Esta región densa se denomina compresión, y la presión de la onda sonora es mayor allí, porque la presión se genera justamente por la colisión entre las moléculas de aire, y si están más juntas hay más colisiones, por lo que la presión es mayor.
En cambio, la región donde las moléculas son escasas tiene una baja presión, porque ocurren menos colisiones. Es allí donde ocurre, precisamente, la rarefacción.
Las moléculas en la zona de compresión se separan poco después, continuando con la transmisión de la perturbación inicial, creando nuevas zonas de rarefacción y compresión. Estas zonas alternadas conforman la onda sonora, que a su vez es una onda longitudinal, pues como se indicó previamente, las moléculas oscilan en la misma dirección de la alteración original. La idea se ilustra en la siguiente imagen.
La onda sonora se puede representar mediante una onda senoidal, tanto en espacio como en el tiempo. En la representación espacial, las crestas corresponden a una compresión y los valles a una rarefacción, mientras que la distancia entre una cresta o un valle y el siguiente se llama longitud de onda.
En el tiempo, la onda se repite periódicamente, siendo el período T la duración de un ciclo.
A nivel sísmico
Los sismos o movimientos telúricos consisten en diversos tipos de ondas que se propagan por el interior de la Tierra, así como sobre la superficie. Entre las ondas que se propagan a través de las rocas en el interior terrestre, están las ondas P o primarias, llamadas así porque su velocidad es mayor y son las primeras en ser registradas por los detectores.
Estas ondas P se comportan de manera semejante a las ondas sonoras, ya que también son longitudinales. La diferencia es que, en vez de moléculas de aire, las ondas P comprimen y rarifican la roca, así de elevada es su energía. Por eso a las ondas P se las llama también ondas compresionales.
El estudio de las ondas sísmicas, tanto naturales como artificiales, revela muchas de las propiedades del interior de la Tierra, incluyendo información del tipo de rocas por el que pasan.
Rarefacción y compresión en el tubo de Rubens
Para producir rarefacción y compresión, se llena un tubo largo cerrado en un extremo con algún fluido compresible, y por el otro extremo se añade un pistón. Si al pistón se le da un movimiento de oscilación a lo largo del eje del tubo, de tipo armónico, se forman regiones en las que el fluido es más denso (compresión) y otras donde es menos denso (rarefacción). Las partículas con mayor presión empujan a las de menor presión, haciendo que el pulso viaje a lo largo del tubo.
Una forma muy ingeniosa de ver la forma de las ondas descritas es a través del tubo de Rubens, que consta de un tubo de metal, al cual se le practica una hilera de agujeros por su cara curva. En una de las caras del tubo se adhiere un parlante y el otro lado se cierra.
Entonces se hace pasar gas inflamable por el tubo, y simultáneamente se activa el parlante, conectado a un amplificador y a una fuente de sonido, para que produzca la perturbación inicial.
Seguidamente se enciende el gas en el tubo y, como es de esperar, por los agujeros salen las llamas, las cuales siguen el contorno o patrón de la onda, permitiendo así ver las zonas de rarefacción, donde las llamas son más bajas, y las de compresión, con las llamas más altas.
Este ingenioso artilugio se usa para ilustrar el comportamiento de las ondas longitudinales estacionarias en los laboratorios de universidades y escuelas. Se debe al físico alemán Heinrich Rubens, quien lo construyó a principios del siglo XX.
Trabajo publicado en: May., 2021.
