La Física y Matemática son dos áreas de conocimiento muy relacionadas. Cuando escuchamos la palabra “Física”, imaginamos complejas e incomprensibles fórmulas que no tienen más aplicación práctica en la vida que aparecer en un examen final. Sin embargo, históricamente desafiar los límites de la comprensión de la física ha expandido nuestro conocimiento de forma que han nacido nuevas displinas y no solo mejorado la manera en la que se conceptualiza el universo, sino la vida misma del ser humano en general. 

La Física describe la interacción entre la energía, materia, espacio y tiempo. Su estudio nos brinda una verdadera y profunda comprensión del sonido, la materia prima con la que trabajamos a diario como profesionales de la música. Cada uno de los principios teóricos se presentará de una manera clara, concisa y ejemplificada, demostrando que ambas ciencias son, en realidad, un aliado al momento de tomar decisiones cruciales para la producción musical e ingeniería de sonido. 

La física aplicada al mundo del audio

Exploremos tres ejemplos para poner en contexto las aplicaciones de la física y matemática en la manipulación del sonido para obtener resultados musicales. 

Ejemplo 1: Física y grabación de audio

Conocer cómo actúa la onda acústica generada por una guitarra en un cuarto de grabación, nos permitirá encontrar la manera ideal de captar el sonido. Escuchemos un ejemplo.

Audio: Guitarra acústica grabada incorrectamente

1,1.mp3

Audio: Guitarra acústica grabada correctamente

1,2.mp3

El conocimiento de los principios teóricos del sonido nos permitió, en este caso, seleccionar los micrófonos correctos y elegir el espacio ideal para la grabación, todo en función del comportamiento acústico del espacio y del instrumento.

Ejemplo 2: Física y flujo de señal

Los principios físicos que rigen el comportamiento del sonido también nos permiten comprender las diversas tecnologías empleadas en los sistemas integrados de audio, tales como los micrófonos, cables, amplificación, parlantes, entre otros (Figura 1.1).

Figura: Equipo de audio 

Por ejemplo, al estudiar los principios de la electricidad desde una perspectiva física y matemática comprenderemos de una mejor manera cómo distintas magnitudes del sonido que pasa por el medio acústico se convierte por medio de distintos dispositivos de audio en el flujo de señal y regresa de nuevo al medio acústico al ser reproducido. (figura 1.2).

Figura: Flujo de la señal en el sistema de audio 

Ejemplo 3: Física e integridad sonora

La propagación del sonido es un fenómeno complejo. Conceptualizar el comportamiento del sonido es fundamental, pues ayuda a identificar auditivamente si la interacción entre diferentes sonidos provoca degradación en la calidad del resultado musical. Escuchemos la diferencia entre dos grabaciones, una incorrecta y otra implementada mediante la aplicación de principios físicos y matemáticos.

Audio: Grabación técnicamente incorrecta 

1,3.mp3

Audio: Grabación técnicamente correcta 

1,4.mp3

A diferencia de la primera grabación que escuchamos, en esta ocasión nos enfocamos en la sincronía entre las dos ondas de sonido captadas al grabar la misma fuente con dos micrófonos distintos. Esta relación se conoce como fase y la estudiaremos en detalle más adelante.

Durante este curso aprenderemos las características del sonido y cómo afectan  los resultados musicales de distintas maneras en aplicaciones de producción musical e ingeniería de sonido.

Para conceptualizar correctamente estos escenarios e innumerables otros, analicemos algunos conceptos fundamentales: ciencia, modelo, teoría, ley y principio. 

La Ciencia 

La ciencia consiste en un conjunto de leyes y teorías que buscan describir la naturaleza de su objeto de estudio, así como predecir su comportamiento. 

El Modelo

Un modelo es una representación de un fenómeno que es demasiado difícil, y a veces imposible, de expresar directamente. Dichos modelos le permiten al físico realizar cálculos, analizar distintos escenarios, construir representaciones computacionales, entre otros. Un ejemplo es el ya obsoleto modelo del átomo de Ernest Rutherford (Figura 1.3). Este modelo presentaba al átomo como un pequeño sistema solar. El núcleo atómico, equivalente al sol, contenía los protones y neutrones, mientras que los electrones orbitaban alrededor de dicho núcleo, como los planetas orbitan alrededor del sol. Esto no quiere decir que los electrones realmente orbitaban alrededor del núcleo, sino que ésta era únicamente una manera más fácil de visualizarlo.

Figura: Modelo atómico de Rutherford

Los modelos pueden volverse obsoletos en el momento en el cual surge uno que describa el fenómeno de una manera más cercana a la realidad, o que presente otras ventajas para el estudio de dicho fenómeno. Por ejemplo, el modelo atómico de Rutherford ha sido sustituido por el modelo atómico de los orbitales (Figura 1.4). Un orbital es una zona dentro de la cual existe la probabilidad de encontrar un electrón, el cual deambula dentro de dicha zona.

Figura: Modelo atómico moderno

La Teoría

Una teoría, por su parte, es una posible explicación para patrones de comportamiento observados en la naturaleza. Una teoría debe ser respaldada por evidencia científica y suele ser verificada múltiples veces por distintos investigadores. Algunas teorías incluyen modelos, mientras que otras no. Por ejemplo, la teoría de la gravedad de Newton, obsoleta por cierto, no requiere de modelos. Esto se debe a que podemos percibir el fenómeno estudiado de forma directa al observar objetos cayendo. Por otro lado, la teoría cinética de los gases requiere de un modelo en el cual se representa gráficamente a las moléculas y átomos del gas, imperceptibles a simple vista (Figura 1.5).

Figura: Representación gráfica de los átomos de un gas

La ley

Una ley es una descripción concisa de nuestro entorno, la cual se refiere a las reglas preexistentes que todo proceso natural sigue. Dichas reglas son intrínsecas del universo, por lo que el ser humano es incapaz de modificarlas o anularlas. Al igual que las teorías, las leyes son respaldadas por evidencia científica y múltiples experimentos. La principal diferencia entre una ley y una teoría es su longitud. Una ley es muy concisa; tanto, que a menudo suele ser expresada por medio de una sola fórmula matemática. Esto se debe a que la ley se refiere a una acción concreta. Por otro lado, una teoría no puede ser expresada de una manera tan concisa, pues involucra a menudo una serie de fenómenos relacionados entre sí. Por ejemplo, la Segunda Ley del Movimiento de Newton expresa que la fuerza es igual a la masa por la aceleración (Figura 1.6). Por su parte, la Teoría de la Evolución implica una gran cantidad de fenómenos que no pueden ser expresados en una sola fórmula.

Figura: Segunda Ley del Movimiento de Newton

El Principio

Cabe mencionar la existencia de los principios. Un principio es similar a una ley, no obstante, un principio es válido únicamente bajo circunstancias específicas. Por ejemplo, el Principio de Pascal describe la transmisión de presión aplicada a un fluido encerrado. Este principio no es aplicable a sólidos. A menudo y a veces por descuido, no se hace una distinción entre ley y principio.