La música del viento

Tras un tiempo de inactividad, regreso a la actividad bloguera con una entrada sobre un tema muy interesante. ¿Alguna vez habéis oído un peculiar sonido cuando el viento atraviesa los cables de una torre de alta tensión o un poste de la luz?. Si es así, os habréis dado cuenta de que es un sonido peculiar, extraño y sugerente. Se trata de un fenómeno estudiado por la aeroacústica, y sobre el que existe una abundante literatura científica, pero que también tiene una curiosa historia de relación con la música y el arte.

Y es que las primeras referencias a este fenómeno se asocian con un peculiar instrumento musical: el arpa eólica. Aunque existen varias variantes en general se trata de un instrumento de madera con una caja de resonancia, con cuerdas tensas frente a ella, de modo que cuando éstas son atravesadas por una ráfaga de aire emiten un sonido que es amplificado en la caja de resonancia. Se cree que es un instrumento antiguo, que podría remontarse a la antigua Grecia, aunque una de las primeras referencias escritas donde se trata de analizar este instrumento se debe a un personaje fascinante, Athanasius Kircher, que las menciona en una obra de 1676.

Una peculiaridad de las arpas eólicas es que son instrumentos que nos tocados por una persona, sino por el viento, lo que hace que la intensidad y la frecuencia de los sonidos puedan variar en función de las ráfagas

Pero vayamos atrás en el tiempo para determinar el origen del estudio del fenómeno, que se remonta a los estudios de un peculiar instrumento musical, el arpa eólica. Este instrumento consta de una caja de madera con una caja de resonancia, frente a la cual se colocan cuerdas tensas de modo que estás emiten un sonido cuando las atraviesa una ráfaga de aire. Así el sonido generado por el arpa es resultado de la acción de corrientes de aire, lo que hace que el sonido generado sea prácticamente único. Las propias características de los flujos turbulentos, y el fenómeno de la intermitencia que hace que el viento se presente en forma de ráfagas, hace que el arpa eólica sea un instrumento con un aire de misterio y evocador de todo tipo de sensaciones.

En el siglo XIX con el desarrollo de la física de los fluidos y la acústica se comenzó a tener una visión general de los fenómenos involucrados en el mecanismo de las arpas eólicas. La primera gran contribución en este campo fue de la de Vincenc Strouhal quien en 1878 estudió el problema de un flujo que atraviesa cilindros de sección circular. Este investigador checo descubrió que existe una relación entre la frecuencia de la oscilación del flujo, la velocidad del flujo incidente y una longitud característica, que se expresa como un número adimensional. Strouhal también observó que tras un objeto cilíndrico parecen formarse vórtices en la cola.

Pero fue uno de los padres de la acústica física, el británico lord Rayleigh quien en 1915 aplicó los resultados de Strouhal al problema de la generación de los tonos en un arpa eólica, y quien desarrolló una primera teoría acústica sobre dicho fenómeno. En esencia lo que ocurre es que las inestabilidades que se forman en las capas límites del cuerpo (la zona del fluido en torno a un cuerpo en la cual los efectos de la viscosidad son importantes) generan vórtices en ambas caras, que se desprenden y dan lugar un proceso alternado de formación de vórtices.

Se genera entonces lo que se conoce como calle de vórtices de von Karman pues fue este ingeniero y físico húngaro el primero en analizar el problema de la estabilidad de estas configuraciones de vórtices en la cola de diversos objetos. Las calles de vórtices de von Karman aparecen siempre que un flujo rodea cuerpos con bordes suave. Por lo tanto pueden darse en ámbitos muy diversos, desde la oceanografía y meteorología, hasta la aeronáutica o arquitectura. En el caso que nos ocupa de los tonos eólicos la frecuencia de formación de los vórtices se corresponde con la de los tonos generados, y el proceso de generación aerodinámica de ruido por la formación de vórtices en la cola de un cuerpo es muy eficaz.

En el caso de un cuerpo rígido la formación de los vórtices conlleva la generación de ondas sonoras, pero en el caso de un cuerpo flexible, como puede ocurrir con las cuerdas de las arpas eólicas o los cables en líneas de alta tensión, pueden producirse fenómenos de vibraciones inducidas con los flujos que pueden acoplarse al propio fenómeno de formación de los pares de vórtices.

Pero independientemente de los detalles de la física de la generación de ruido, que son complejos y se conocen gracias a la observación directa y simulación de los flujos, pues el estudio analítico de este problema resulta muy difícil, una característica interesante de este fenómeno es la dependencia con respecto a las características del flujo incidente. Esto significa que en el caso de un objeto que emite tonos eólicos por la acción del viento, estos son función del comportamiento errático de éste, dominado por el fenómeno de la intermitencia, que implica ráfagas desiguales a intervalos de tiempo que no son ni constantes ni periódicos. De ahí que el sonido generado, además de extraño por las frecuencias involucradas, tenga ese aire de misterio que comentaba más arriba.

Aquí, como ejemplo de cómo la aeroacústica también guarda relación con el arte os enlazo un vídeo para que veáis cómo se puede aprovechar este fenómeno para hacer creaciones artísticas basadas en el sonido del viento.

Para terminar no puedo más que pensar en el excelente relato de Ted Chiang Exhalation, pues no puedo más que imaginarme que extraños y fascinante sonidos para un oído humano podrían generar las corrientes de aire que son la base del proceso cognitivo de los seres que protagonizan dicho relato.