Introducción

La naturaleza y la propagación del sonido son, desde el tiempo de Aristóteles, temas muy estudiados por los filósofos y científicos. Las primeras teorías relacionaban el sonido con el movimiento del aire. Más adelante, se reconoció que el sonido es una propagación de la deformación en los medios elásticos. Esta idea fue elaborada matemáticamente por Newton en 1687 y él mismo fue capaz de derivar la primera expresión teórica para la velocidad del sonido. La fórmula tuvo que ser modificada cuando se disponía de datos más precisos sobre la velocidad del sonido en el aire (1738).

Se tuvo que esperar casi un siglo para determinar la velocidad del sonido en el agua. El experimento fue realizado en 1826 por J. D. Colladon y J. C. F. Sturm en el Lago de Ginebra. Como este experimento es prácticamente ausente en los libros de texto actuales, vale la pena describirlo con más detalle.

Para facilitar su realización (evitar los ruidos de los barcos y ver mejor la señal luminosa), el experimento se realizó durante la noche. Dos barcos con los científicos a bordo se ubicaron a una distancia de 13487 metros entre uno y otro. El primer barco (fig. 1) tenía puesta bajo el agua una campana grande (cuya masa era de casi 60 kg) junto con un martillo que la pudo hacer sonar. En el momento en que el martillo pegaba a la campana mediante un mecanismo mecánico, se encendía algo de polvorín en el barco emitiendo una señal luminosa.1

Figura 1. El barco con la campana.	Figura 2. El barco con el tubo para escuchar.
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En el segundo barco, la llegada del sonido que viajó en el agua se pudo registrar mediante un tubo especial (fig. 2). El tubo cónico tenía una longitud de 5 metros y su extremo en el agua fue cerrado con una membrana elástica. El científico ponía su oído en el otro extremo, mirando con atención hacia el otro barco. Al ver la luz emitida, activaba un cronómetro y lo paraba al oír el sonido de la campana a través del tubo.

Conociendo la distancia entre los barcos y el tiempo que tardaba el sonido para llegar hasta el segundo bote (9.4 segundos) se pudo calcular la velocidad del sonido. El resultado fue 1435 m/s.

Si consideramos que los mismos científicos enfrentaban dificultades conceptuales al estudiar los fenómenos acústicos, no sorprende que la naturaleza del sonido y su propagación sean temas difíciles para los estudiantes, a pesar de su presencia continua en la vida cotidiana.

Sin embargo, en comparación con otros temas de física, la investigación educativa referente a la comprensión estudiantil de los fenómenos relacionados con el sonido todavía es insuficiente.2

Las concepciones más significativas que la mayoría de los estudiantes infieren de las ideas anteriores son:

1. El sonido es una sustancia.

2. El aire que fluye es sonido.

3. El sonido se propaga por las moléculas.

4. La velocidad del sonido depende de la densidad del medio.3

Lo anterior muestra, como en muchos otros temas, que existe poca articulación entre las ideas de los estudiantes y que sus respuestas dependen, en buena medida, del tipo o contexto de las preguntas.

En este artículo se presenta un análisis inicial de los resultados de un estudio piloto (realizado dentro de la maestría impartida por la Dirección General de Escuelas Preparatorias de la Universidad Autónoma de Sinaloa, uas), tanto de las ideas y experiencias como de los argumentos que los estudiantes usan al responder dos preguntas abiertas:

. ¿Se puede propagar el sonido en el agua?

. ¿En qué medio crees que se propaga el sonido con mayor velocidad, en el aire o en el agua?

Los estudiantes debían apoyar sus afirmaciones con argumentos, experiencias y dibujos. También se exigía que formularan sus dudas.

La propagación del sonido en el agua

La búsqueda de las ideas previas, para saber qué piensan los alumnos acerca de si el sonido se propaga en el agua, se realizó con 80 estudiantes de la preparatoria "Lázaro Cárdenas", de Mocorito, Sinaloa, con el siguiente instrumento:

La encuesta anterior se aplicó a alumnos que, de alguna manera, ya han abordado el tema del sonido. Los resultados generales son como sigue:

Como muestra la tabla, hay básicamente tres tipos de respuestas, según la aceptabilidad de la justificación. Resultó agradable poder leer las respuestas en las que, de muy diversas formas, muchos alumnos argumentaban con experiencias vividas o conocidas por ellos. Es importante notar la amplia gama de fuentes de información (familiar, TV, cine...) que ellos emplean para responder la pregunta. Por eso se puede decir que la mayoría (63.75 %) tiene una idea congruente con el fenómeno.

En la Tabla 2 se presentan algunos ejemplos de las respuestas de los alumnos que tenían argumentos aceptables a favor de la propagación del sonido en el agua.

Sin embargo, una parte de los alumnos (26.25%), aunque contestó que el sonido sí se propaga en el agua, proporcionó argumentos o ideas inadecuadas. En la Tabla 3 aparecen algunos ejemplos.

Aunque en esta muestra los estudiantes que no creen en la propagación del sonido en el agua representan una minoría (8.75 %), es importante prestar atención a sus respuestas. Sin duda alguna, la falta de experiencias personales y contactos con las experiencias de otros es la causa principal de esta creencia. Sin embargo, se nota que algunos de ellos tienen concepciones que "justifican" la ausencia de la propagación del sonido en el agua mediante argumentos "teóricos" (ver la Tabla 4).

Con este tipo de respuestas erróneas se debe tener especial atención al momento de aplicar nuevos tratamientos para revertirlas hacia el conocimiento científico.

La comparación de las velocidades del sonido en el aire y el agua

Para averiguar cómo los estudiantes compararían las velocidades del sonido en el agua y el aire, se diseñó el siguiente instrumento:

Se aplicó a los 71 estudiantes del segundo grado de la Escuela Preparatoria "La Cruz" de la uas. Las distintas respuestas aparecen en la siguiente tabla.

En términos generales, el resultado más importante es que la gran mayoría de los estudiantes no notan que no disponen de experiencias que les permitan comparar las velocidades del sonido en el agua. Por eso, sus argumentos no se pueden considerar como válidos. Sin embargo, sus respuestas muestran que el problema les pareció interesante y que hicieron un esfuerzo considerable para justificarlas, confeccionando argumentos que tenían a su alcance y revelando interesantes concepciones sobre los factores que determinan la velocidad en diferentes medios.

Debido a su gran variedad, en este primer análisis no fue posible realizar una categorización más detallada de esas concepciones. A continuación se presentan algunos casos de las distintas concepciones con comentarios pertinentes.

Mayor velocidad en el aire. Hablar y escuchar en el aire y en el agua

1. "[El sonido se propaga con mayor velocidad] en el aire, porque cuando le dices algo a alguien al aire libre te entiende perfectamente o sin dificultad. Sin embargo, si le dices algo a alguien en el agua, la información como que se distorsiona, como que se pierde o algo así."

2. "Si golpeas dos piedras en el agua el sonido se escucha muy fuerte pero no sabes de dónde viene y se escucha muy raro... En algunos casos es tan fuerte el sonido que te asorda por unos instantes, pero lo más extraño es que esos sonidos, como con eco o con ondas sonoras, sí se escuchan en el agua, pero las voces y las palabras no las entiendes. Supongo que las condiciones tienen mucho que ver para la propagación del sonido porque en el espacio sería imposible escuchar algo ya que no hay condiciones para la propagación del sonido."

3. "En el aire el sonido, en cuanto lo haces, se propaga rápidamente. Estás golpeando algo y lo escuchas al momento. En el agua, cuando haces un sonido o propagas vibraciones, como que no los escuchas al momento en que haces el sonido, sino que al rato de que hiciste algo se escucha, algo así como un eco que va viajando por el agua pero con una velocidad menor a la que escuchas en el aire libre. ¿O será que como no vivimos en el agua no entendemos los sonidos? ¿Por qué el canto de las ballenas se escucha tan fuerte? ¿Por qué los delfines sí se entienden perfectamente tanto en el agua como en el aire libre?"

Mayor velocidad en el aire. Avión, barco y aplausos

"Yo creo que en el aire [se propaga más velozmente el sonido], porque cuando un avión viaja va a muy alta velocidad y cuando un barco va a bordo, éste lleva más baja velocidad. Cuando una va corriendo por el aire avanza muy rápido. En cambio, cuando corre en el agua es muy difícil hacerlo. Este ejemplo dice que en el aire se propaga el sonido con mayor velocidad. Otro ejemplo de que en el aire se propaga el sonido con mayor velocidad es cuando metes un vaso al agua boca abajo, el vaso lleva aire, si lo ladeas éste hará un sonido. Esto dice que para que el agua suelte un sonido se necesita aire.

"Otro ejemplo a favor del aire es que cuando aplaudes en el aire se oirá un sonido depende de cómo aplaudas; si aplaudes fuerte se escuchará fuerte, y si aplaudes despacio por lógica se escuchará despacio; en cambio, bajo el agua, aplaudas como aplaudas no se oirá ningún sonido."

Comentario: Este alumno implícitamente trata el sonido como un objeto. 

Mayor velocidad en el aire. Fricción determina la velocidad

"Yo pienso que en el medio donde se propaga el sonido con mayor velocidad es en el aire, ya que en el aire escuchas la resistencia que en el agua [sic], ya que las corrientes de aire son más rápidas y las del agua son más lentas. En el aire las ondas de sonido se desplazan más rápido porque hay menos fricción y en el aire el sonido es más fácil de transportarse. Al contrario, en el agua las ondas de sonido se desplazan más lento ya que tienen más fricción.

"Yo tengo dudas en cómo se puede sacar la respuesta para la pregunta que está planteada, cómo sabremos en dónde el sonido se propaga con mayor velocidad, ¿en el aire o en el agua?

Por ejemplo, para saber en dónde se propaga con mayor velocidad, pondríamos un modular en el agua y otro en el aire donde se escuche más recio, ahí será donde se propaga con mayor velocidad el sonido."

Comentario: El estudiante tiene una respuesta "teórica", pero admite que no sabe si es cierta y propone un experimento, aunque muy primitivo.

Mayor velocidad en el agua. Agua como conductor, aire como no conductor

"[El sonido se propaga con mayor velocidad] en el agua, porque el agua funcionaría como conductor del sonido y esto haría que se propague firme y con claridad, puesto que el agua no lo desvía y no lo deja escapar. En cambio, en el aire, el sonido se dispersa hasta que se pierde porque el aire no funciona como conductor, y arrastra el sonido en la dirección en que corre el aire y éste no permite su propagación velozmente."

Mayor velocidad en el agua. Velocidad es igual a intensidad

"Yo pienso que el medio en el que se propaga el sonido con mayor velocidad es en el agua, porque en el aire, como es libre, o sea, no está encerrado, el ruido se escucha menos fuerte y en el agua más fuerte. Por ejemplo, si agarras dos piedras y las golpeas en el aire no tendrá el mismo sonido que si te sumerges en el agua y golpeas las piedras, [en el agua] se escucha más fuerte."

La misma velocidad. Velocidad es igual a propagación

"Yo digo que en las dos partes [es igual]. En el aire y también en el agua porque en el aire tú estás oyendo todos los sonidos, por eso uno piensa que en el aire, pero no es así, también en el agua se oyen sonidos, los peces oyen sonidos y también nosotros los seres humanos, cuando metemos la cabeza y dos piedras chocan ahí, tú también oyes sonidos igual de rápido que en el aire."

La misma velocidad: Velocidad es igual a audición

"Yo pienso que en los dos es igual, porque en el agua me zambuto y trueno dos piedras o mis amigos las truenan y se escucha al mismo instante que las chocas, pues más fácil los peces se comunican en el agua a la misma velocidad que nosotros. Aquí, en el aire libre, yo pienso que es igual, porque yo he comprobado y puedo asegurar que escuché a la misma velocidad el sonido en el agua y en el aire porque yo miré cuando tronaban las piedras y al mismo instante se escuchaba y pues en el aire libre si le miras los labios con el que estás hablando, veremos que al mismo momento que él quiere emitir un sonido, lo escucharemos, o simplemente tronamos dos piedras en la misma distancia que en el agua, la escucharemos al mismo instante en que chocan las dos piedras."

Decisión dividida. Para humanos, en el aire, y para los animales acuáticos, en el agua

"Yo pienso que el sonido se propaga igual en el aire como en el agua, aunque algunas cosas como hablar, gritar, etc. se propagan mejor en el aire. Pero el sonido de piedras cuando las tronamos se hace mejor en el agua que en el aire, también los animales tienen su propia forma de comunicarse a grandes distancias, tales que en el aire no se podría hacer.

"Yo pienso que el sonido en los seres humanos se propaga mejor en el aire porque vivimos de él y en el agua no podemos transmitir mucho sonido porque no podemos hablar ni gritar y para los animales acuáticos se propaga con mayor velocidad en el agua porque viven en ella y están acostumbrados a hablar de cerca o de lejos, como por ejemplo los delfines, que tienen su propia forma de comunicarse porque el sonido del agua delata a los depredadores como el tiburón. Para los seres humanos se propaga con mayor velocidad el sonido en el aire y para los animales acuáticos se propaga mejor en el agua."

Decisión dividida: más rápido en el aire y más fuerte en el agua

"Pues yo pienso que es mayor velocidad en el aire, pero en el agua se escucha más fuerte, pero la verdad no sé por qué se escuchará más fuerte bajo el agua. Por ejemplo, si chocas una piedra con otra en el aire, se escucha muy bajo, pero en el agua se escucha muy fuerte, pero no sé exactamente por qué."

Conclusión

El estudio realizado demuestra que la mayoría de los estudiantes dispone de argumentos adecuados para la propagación del sonido en el agua. Sin embargo, nunca sobra crear las situaciones prácticas en que este fenómeno enriquecerá las experiencias sensoriales y reflexiones conceptuales (por ejemplo, chocar dos piedras o aplaudir en el aire y debajo del agua). Los resultados muestran que los estudiantes no parecen preparados para comparar las velocidades del sonido en el agua y el aire.

Casi ninguno nota que sus argumentos no se refieren a la velocidad sonora sino a otras características de la propagación del sonido. En el proceso de argumentación se revelan las concepciones (menor velocidad en el agua por ser más densa, el sonido más intenso viaja más rápido...) ya reportadas por otros investigadores (Viennot, 1996).

Por eso, sería recomendable exigir que ellos mismos diseñen y discutan los experimentos correspondientes como una elaboración más de sus ideas.

Para finalizar se describen dos demostraciones de campo, ideadas y realizadas por J. A. Manjarrez Meza.

Hay que destacar expresamente que, al realizar estas demostraciones con alumnos, se requiere tener todo el cuidado necesario para evitar accidentes.

linder, C., "University Phisics students conceptualizations of factors affecting the speed of sound propagation", International Journal Science Education, 15(6), 1993, pp. 655-662.

perales, F. J., "Escuchando el sonido: concepciones en acústica en alumnos de distintos niveles educativos", Enseñanza de las Ciencias, 15 (2), 1997, pp. 233-247.

––– "El estudio del sonido en la educación secundaria", Alambique, 35, 2003, pp. 9-16.

saura Llamas, O. y A. de Pro Bueno, "¿Utilizan los alumnos esquemas conceptuales en la interpretación del sonido?", Enseñanza de las Ciencias, 17 (2), 1999, pp. 193-210.

viennot, L., Raisonner en physique. La part du sens común, De Broeck Université, Bruselas, 1996.

1Se recomienda consultar la revista Physics Today, octubre de 2004, en su versión para Internet: http://www.physicstoday.org/vol-57/iss-10/contents.html.

2Véase: Linder, 1996; Perales, 1997; Perales, 2003; Saura Llamas y De Pro Bueno, 1999.

3www.ideasprevias.cinstrum.unam.mx