Los Legos son un elemento básico muy querido de las “actividades científicas” educativas e incluso han resultado útiles en experimentos de física de partículas en el CERN para explorar las propiedades de los hadrones. Para Brian Anderson , físico de la Universidad Brigham Young, los Legos son un componente esencial de su investigación sobre acústica. En una reunión de la Acoustical Society of America celebrada en Seattle a principios de este mes, Anderson describió cómo había descubierto la manera de concentrar la energía de las ondas sonoras con la suficiente precisión como para derribar una sola minifigura de Lego sin perturbar a las demás minifigs agrupadas a su alrededor.
La clave es una técnica de procesamiento de señales llamada “inversión del tiempo”, utilizada originalmente por los submarinos en la década de 1960 para apoyar a enfocar la transmisión de señales en el océano. El nombre es un poco engañoso, ya que lo que se invierte son las ondas sonoras, no el tiempo. La técnica consiste en reproducir un sonido (impulso) desde una fuente sonora -Anderson utiliza altavoces para reproducir música a través de un ordenador o un portátil- y utilizar un sensor (como un micrófono o un láser) en un lugar determinado de una placa metálica para registrar la respuesta al impulso allí.
Esa grabación esencialmente mapea la onda acústica mientras rebota. A continuación, se puede utilizar un programa informático para invertir la señal y reproducirla de modo que las ondas vuelvan sobre sus pasos e interfieran constructivamente entre sí, lo que permite a Anderson concentrar con precisión esa energía acústica en el lugar deseado. El alcance espacial de la concentración depende de las frecuencias utilizadas. Las frecuencias más altas suelen tener longitudes de onda más pequeñas, lo que permite a Anderson concentrar la energía acústica en un punto más estrecho del espacio.
“La inversión del tiempo es realmente como la ventriloquia”, dijo Anderson. “Pero en lugar de lanzar nuestra voz a otro lugar, estamos enfocando las vibraciones en un lugar objetivo que puede estar lejos de donde se originaron las vibraciones”.
También ha comparado este efecto con el fenómeno de la galería de los susurros, que suele observarse en habitaciones con un techo de forma elíptica, que produce un efecto de enfoque natural. Así, alguien que está en un lugar puede susurrar y ser escuchado claramente por otra persona que está en otro lugar. (La catedral de San Pablo de Londres es el ejemplo más famoso. Es donde Lord Rayleigh descubrió por primera vez las ondas de la galería de los susurros alrededor de 1878). La técnica de inversión del tiempo de Anderson le permite convertir cualquier habitación en una galería de susurros.
Para que el efecto auditivo fuera más visual, Anderson tomó prestadas las minifiguras de Lego de sus hijos y las llevó al laboratorio. Las colocó en una placa metálica y utilizó la vibración forzada de inversión del tiempo para apuntar a una minifigura específica y derribarla. “Les prometo que no hay nada que haga saltar la placa por debajo”, dijo Anderson en una conferencia de prensa de la ASA. “Es porque las ondas de los dos altavoces sólo convergen y producen una gran amplitud justo debajo del minifig [objetivo]”.
Esos experimentos iniciales aparecieron en un artículo de 2017 en el Journal of the Acoustical Society of America, y la conexión con Lego hizo que el artículo generara una importante cobertura mediática. “Al principio, estaba un poco preocupado porque estaba jugando con juguetes en el laboratorio”, admitió Anderson. “Pero resulta que a todo el mundo le gusta Lego, especialmente a los niños”.
Los responsables de un museo interactivo de divulgación científica sobre la propagación de las ondas (Waves: Dive In!) en la ETH de Zúrich (Suiza) quedaron tan impresionados por esa demostración inicial que invitaron a Anderson a diseñar una versión adecuada para incluirla en el museo. Para ello fue necesario averiguar cómo mejorar la repetibilidad de la demostración, ya que incluso en las condiciones altamente controladas del laboratorio, la demostración sólo funcionaba aproximadamente un tercio de las veces.
El problema resultó ser demasiada amplitud. Uno de los estudiantes de Anderson decidió girar el láser utilizado para medir las vibraciones sobre la minifigura durante los experimentos para medir lo que le ocurría. La minifigura de Lego a la que se apuntaba rebotaba un poco antes y después de enfocar la onda acústica, de manera que a menudo estaba en el aire, en lugar de en contacto con la placa metálica, cuando la vibración golpeaba.
“Hacíamos que el Lego vibrara en la placa antes de lo que queríamos”, dijo Anderson a Ars. “Así, el Lego se perdía el foco principal de energía que pretendía lanzarlo al aire”. Bajando la amplitud al nivel óptimo -suficiente para derribar la minifigura pero no lo suficiente como para provocar un rebote prematuro- se resolvió el problema y se produjeron lanzamientos mucho más consistentes.
“También descubrimos que una versión diferente del procesamiento de la señal de inversión de tiempo, llamada filtrado inverso de inversión de tiempo, era útil para darnos un enfoque más limpio de la energía en lugar de la técnica que estábamos utilizando, llamada inversión de tiempo de recorte, cuyo propósito principal es maximizar la amplitud del enfoque”, dijo Anderson.
Los experimentos del laboratorio de Anderson se basaron en un láser de 250.000 dólares para detectar las vibraciones. “Eso es un poco exagerado si se trata de convertir esto en una demostración práctica de museo”, dijo. “Queríamos idear un sensor más barato”. La solución: un sensor de corrientes de Foucault, que resultó bastante eficaz para detectar las vibraciones en las placas metálicas. Él y su equipo también optimizaron el paso y las frecuencias utilizadas en la demostración y determinaron el mejor grosor de la placa metálica, logrando finalmente una reproducibilidad del 100%. Actualmente se está revisando para su publicación un artículo que describe este último trabajo.
Sin embargo, para la exposición del museo, los investigadores redujeron intencionadamente la reproducibilidad un poco para convertir la demostración en algo más parecido a un juego de azar, permitiendo que dos niños compitan para ver quién puede derribar primero la minifigura del otro. Sólo tienen que hacer clic en una pantalla interactiva para elegir dónde quiere cada uno enfocar la energía acústica – “idealmente debajo de una minifigura”- y esto mueve su sensor de corrientes de Foucault por debajo de ese punto.
La vibración, muy concentrada, podría ser suficiente para derribar una minifigura o romper un cálculo renal in situ, pero no esperes ver potentes cañones sónicos a corto plazo. Tampoco es probable que veamos armas sísmicas de gran tamaño, capaces de, por proponer un ejemplo, desestabilizar el giro en el núcleo de la Tierra, la premisa (ciertamente ridícula) de la película de 2003 The Core. (En 2011, los científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA calificaron El núcleo como uno de los ejemplos más notables de mala ciencia en el cine). Pero el potencial para aprovechar el poder del sonido a menor escala de forma tan precisa permitirá sin duda muchas otras aplicaciones.
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Michael Rojas
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