¿Evita que suenen campanas de torre las tormentas eléctricas?

Question

Introducción

Este es el comienzo de una pregunta aparentemente no relacionada con la física que implica leyes italianas de 1700-1800, procesos atmosféricos, ondas de sonido que se propagan a través de fluidos y rayos que queman iglesias.

El núcleo de la pregunta es averiguar si y cómo una onda de sonido influye en la formación / interrupción de las nubes y las tormentas eléctricas eventualmente.

Antecedentes y Contexto

Vivo al lado de los Alpes europeos, en el norte de Italia. Aquí el clima a menudo es nublado y las tormentas eléctricas no son raras. Por motivos religiosos, cada pueblo en esta área tiene una iglesia, con una torre de campanario alta junto a ella. Y, por supuesto, una enorme campana de bronce cuelga en cada torre sonando cada hora.

Hablé con un anciano local (que resulta ser el encargado del campanario) sobre las tormentas eléctricas, y me contó que cada vez que se acerca una tormenta eléctrica, él toca la campana repetidamente y con fuerza para tratar de "disipar la tormenta" y "desgarrar las nubes", supuestamente para evitar que caigan lluvia y truenos sobre el pueblo. Esta es una práctica ampliamente utilizada hasta el día de hoy en esta área. Siendo un estudiante de ingeniería, quería averiguar si eso tenía sentido realmente y qué efectos tenía tocar la campana.

Formalización de la pregunta

Una campana de bronce sonando varias veces produce sonido. La energía cinética del badajo de bronce se lanza hacia la campana, que la convierte en vibraciones.

Específicamente, la campana de bronce vibra y transfiere la vibración aguda a la capa de moléculas de aire envuelta alrededor de la campana, lo que inicia una transmisión en cadena. Esto produce ondas de sonido, que son ondas longitudinales (de compresión) transmitidas a través de un fluido (aire).

Las ondas longitudinales son ondas en las que la vibración del medio es paralela ("a lo largo") a la dirección en que viaja la onda y la desplazamiento del medio va en la misma (o en dirección contraria) de la propagación de la onda. Las ondas longitudinales mecánicas también se llaman ondas de compresión, porque producen compresión y rarefacción al viajar a través de un medio, y ondas de presión, porque producen aumentos y disminuciones en la presión. [fuente]

Estas ondas luego se expanden más o menos esféricamente (ley del cuadrado inverso) desde el punto alto de la campana.

Las preguntas naturales que surgirían en este punto son:

• ¿Qué sucede cuando la onda de sonido pasa a través de la nube?
• ¿La onda tiene la suficiente energía para alterar razonablemente la formación de la nube y por lo tanto alterar / prevenir la tormenta eléctrica?
• ¿Existe realmente la posibilidad de "disolver la tormenta", o es solo una creencia popular / efecto psicológico?

Realmente no tengo idea ya que no tengo experiencia directa con esto, aunque suena casi ridículo. La formación de tormentas eléctricas parece ser un proceso en una escala completamente diferente, pero no logro encontrar una conexión con las ondas de sonido.

Las tormentas eléctricas se forman cuando el aire cálido y húmedo asciende en el aire frío. El aire cálido se enfría, lo que provoca que la humedad, llamada vapor de agua, forme pequeñas gotas de agua, un proceso llamado condensación. El aire enfriado desciende más en la atmósfera, se calienta y vuelve a ascender. [fuente]

Experimentos históricamente relevantes

Mientras investigaba encontré papers de finales de 1700 donde científicos italianos intentaban responder una de nuestras preguntas: ¿perturba el sonido de la campana de la torre una tormenta eléctrica entrante?

Su respuesta es lo opuesto a lo que esperaba: pensaban que el sonido de la campana en realidad amplificaba la tormenta.

Puedes encontrar la versión original de estos papers aquí

Sus resultados parecen extremadamente no rigurosos, pero puede ser un punto de partida para reflexionar sobre ellos.

Nota: Puedo hacer una traducción completa del paper si alguien está interesado, por ahora haré mi mejor esfuerzo para traducir y resumir los conceptos clave (ahorrándote un montón de drama religioso y legal de mediados de 1700)

Paper publicado en 1770

Clave: Total sinsentido

La vibración inducida por el sonido agudo de la campana tiene 2 efectos en el aire: frota entre diferentes partes [de la nube] y adelgaza la masa [de la nube]. El frotamiento, como se sabe, despierta el "fuego eléctrico" (no tengo ni idea de qué es eso). El adelgazamiento atrae [el fuego eléctrico], disminuyendo la resistencia del aire. Las vibraciones en general unen en lugar de separar.

También se dice que el sonido de la campana (mientras tormenta) atrae los rayos a la torre de la campana (lo cual es un sinsentido), en lugar de permitir que los rayos alcancen las casas o campos, y se considera algo bueno.

Además, se dice que el sonido de la campana advierte a los lugareños que se acerca una tormenta, lo cual se dice que es un buen efecto secundario, pero que realmente parece ser lo más relevante.

Acto de 1783

Clave: La ley prohíbe tocar campanas durante tormentas

Una serie de experiencias tristes dice que tocar la campana de la torre, en lugar de disipar las nubes y las tormentas, activa y pone en peligro las torres y las iglesias, que han sufrido numerosos impactos, incendios y muertes durante tormentas. Por lo tanto, está prohibido tocar campanas durante tormentas.

Artículo publicado en 1787:

Clave: Evaluación de los efectos de las vibraciones del aire en las nubes

Este artículo expone 2 razones que respaldan la ley contra tocar campanas durante tormentas.

1: Ondulaciones Sonoras Atmosféricas. Las vibraciones originadas por la percusión de objetos se propagan esféricamente, generando "compresión y acercamiento de partes". Las nubes pesadas no se rompen bajo esta condición. Pero una nube es un conductor electrificado. Se sabe que el estrés ejercido por el fuego eléctrico es inversamente proporcional a su capacidad, y su capacidad es directamente proporcional al área de la superficie. Si el volumen de la nube disminuye, su área de superficie también debe disminuir. Por lo tanto, la capacidad disminuirá y la intensidad del fuego eléctrico aumentará. De esto podemos inferir que las vibraciones, que comprimen el volumen de una nube, necesariamente aumentan la intensidad del fuego eléctrico, que se descargará en los cuerpos más cercanos, como la torre de la campana.

2: Rareza de aire alrededor de la torre de la campana. Las vibraciones eliminan continuamente el aire y lo convierten en aire más delgado. Por lo tanto, hay una corriente de aire hacia la fuente de sonido. El fuego eléctrico seguirá esa dirección.

Termina con:

Se demuestra que tocar la campana promueve que caiga un rayo y apunta el golpe en la fuente de las vibraciones.

Answer 1

Hay una enorme energía en una tormenta, la cual estará orientada de forma aleatoria con respecto a una torre de campanario.

La energía en el sonido de la campana caerá radialmente con $1/r^2$ y no es direccional. La energía que un hombre puede aplicar al tocar la campana es limitada.

La respuesta de la física debe ser: no hay conexión.

Luego la pregunta se convierte en metafísica, el repique de la campana eleva los impulsos religiosos de las personas para disipar la tormenta. ¿Son efectivas las oraciones? Las personas religiosas sin educación parecen creer que sí. La física no ha alcanzado el nivel de detectar si hay algo en la metafísica, (desde la telepatía hasta, en este caso, manipular tormentas)

Tomando la expectativa de que el repiqueteo de la campana para disipar tormentas sea un experimento de metafísica, la respuesta parece ser "las oraciones no son efectivas"

Las iglesias y castillos eran edificios extremadamente peligrosos durante las tormentas eléctricas en los días antes de que se inventara el pararrayos. Al ser tan altos, eran altamente vulnerables a los rayos: cientos de campaneros en toda Europa fueron asesinados a lo largo de los siglos en la creencia errónea de que tocar las campanas ahuyentaría los rayos. Pero un peligro aún mayor era la costumbre de almacenar pólvora en castillos y bóvedas de iglesias.

Answer 2

La pregunta de si tocar una campana en una torre puede influir en los rayos involucra dos aspectos: hipotetizar procesos físicos que podrían ser relevantes, y luego averiguar (o medir) si lo son. Aquí hay dos procesos físicos en los que puedo pensar: las ondas de sonido en el aire, y la campana en sí con el badajo golpeándola.

Las ondas de sonido podrían influir concebiblemente en la conductividad eléctrica del aire húmedo, pero dudo que este efecto sea lo suficientemente grande como para tener una influencia no despreciable en la acumulación de carga y campo que lleva a un rayo.

La imagen final en la pregunta muestra una varilla pararrayos (también llamada pararrayos) no una campana. Estas varillas fueron introducidas en los años 1750 (según Wiki). Funcionan a través de dos efectos: uno gradual y otro repentino. El campo eléctrico cerca de un conductor cargado tiene un valor mucho más grande cerca de un punto afilado. Así que al usar un conductor puntiagudo se anima a corrientes modestas en el aire cerca de la punta de la varilla pararrayos que, gradualmente, tienden a reducir la acumulación de carga en la nube y así reducir la frecuencia general y la fuerza de los rayos. Esto no es suficiente para suprimir completamente los rayos, pero en general ayuda. Estas corrientes también tienen el efecto de hacer que el rayo sea más probable que golpee la varilla que otras cosas cercanas. Esto ofrece protección al edificio siempre y cuando el largo y grueso cable de cobre desde el suelo hasta la varilla pueda conducir la mayor parte de la corriente sin fundirse.

Yendo ahora al tema de la campana sonando, si el badajo es de metal entonces al golpear la campana podría concebiblemente haber un aumento en la emisión eléctrica de la campana (en presencia del tipo de acumulación de carga que ocurre en las tormentas eléctricas). Así comienza a desempeñar la primera parte del papel de un pararrayos. Sin embargo, supongo que este efecto es bastante pequeño, y por supuesto sin el resto de la varilla la campana no ofrece protección contra un impacto real. Como otra respuesta ya ha señalado, si tales efectos fueran no despreciables entonces se habría notado e investigado para ahora, y se recomendarían campanas como solución para algunos edificios. Pero la última vez que miré prácticamente todas las torres de iglesias tienen varillas pararrayos.

Finalmente, en cuanto a la formación de nubes: esto también es un gran problema en muchas partes del mundo, así que uno pensaría que si las campanas pudieran ayudar entonces se habría notado y documentado más completamente y convincentemente para ahora. Perturbar el aire que ya está sobresaturado en general animará (no desanimará) a la formación de gotas. Sin embargo ha habido muchos esfuerzos para hacer esto sembrando el aire y parece que es difícil hacerlo a una escala lo suficientemente grande como para tener un impacto útil.

Answer 3

Además de las consideraciones energéticas de una onda de sonido generada por humanos, también hay esto que tener en cuenta:

Como mencionas, el sonido es una onda longitudinal de variación de presión a través del aire. Supongamos que tenemos la capacidad de generar una onda de sonido MUY fuerte.

En el nivel atmosférico de la nube de tormenta, donde el vapor de agua se está convirtiendo en gotas, suponiendo que la temperatura se mantiene relativamente constante, el diagrama de fases del agua nos diría que un aumento en la presión probablemente solo aumentaría el tamaño de la gota de agua (es decir, más agua se vería forzada hacia la porción líquida del diagrama de fases). Por el contrario, una rarefacción o disminución de la presión probablemente solo disminuiría el tamaño de las gotas de agua.

Dado que las compresiones y rarefacciones se suceden, el efecto neto de esto en el tamaño de las gotas de agua probablemente sería cero.

(Sumando el hecho de que las cosas no permanecerán isotérmicas apoya aún más esto. Un aumento de presión llevará a un aumento de temperatura, lo que funcionará en sentido opuesto al aumento de presión: es probable que el tamaño de la gota disminuya. Por lo tanto, el efecto neto de un aumento de presión en el tamaño de la gota probablemente sea cero. Lo mismo para una disminución de presión teniendo en cuenta los cambios de temperatura debido al cambio de presión.)

Answer 4

La escala de energía de una tormenta es mucho mayor que la de una campana (la mayoría de otros dispositivos construidos por humanos), por lo que es poco probable que dichos dispositivos puedan afectar las tormentas de forma controlable.

Un solo rayo puede llevar 108 a 1010 joules de energía. Esto es similar a la cantidad de energía eléctrica que usa un hogar promedio en EE. UU. en un mes (3×109 J). Se estima que una tormenta completa puede llevar 1015 J, suficiente energía para abastecer a 300,000 hogares en EE. UU. por un mes o la misma energía que se liberaría con 16 copias de la bomba nuclear lanzada en Hiroshima, Japón en 1945.

Una campana tocada por un humano no puede utilizar más que la potencia generada por el cuerpo humano, que es aproximadamente 400 W máximo. Incluso si esta potencia se convirtiera en sonido con alta eficiencia y la persona pudiera mantener este nivel de esfuerzo por 10 minutos, la cantidad de energía liberada sería solo de 2.4×105 J. Esto es 4 mil millones de veces menor que la energía estimada de la tormenta.

Es probable que solo un dispositivo operando en una escala de energía similar en la escala de tiempo de una tormenta pueda controlar de manera confiable una tormenta. Las armas nucleares son la única tecnología que tenemos que opera en esta escala, pero su energía puede ser fácilmente controlada o dirigida con la tecnología actual y el daño colateral sería enorme. Quizás se podrían utilizar algunos trucos para reducir la escala de energía hasta cierto punto, lo cual dependería de una muy buena comprensión de la dinámica de las tormentas y la capacidad de simularlas e intervenir potencialmente de manera realista. En cualquier caso, esto está más allá del nivel tecnológico actual de la humanidad y probablemente lo estará por algún tiempo.

En cualquier caso, tu pregunta es un interesante caso de personas tratando de encontrar regularidad en el ruido, con algunos pensando que tocar la campana hace que la tormenta sea menos peligrosa y otros creyendo que la empeora. La verdad es que es poco probable que la campana tenga algún efecto consistente en la tormenta y las personas medievales que intentaron el método de la campana estaban encontrando patrones en ruido aleatorio.

Answer 5

Por supuesto, una campana sonando no tiene efecto en el clima. Imagina, si lo tuviera, las campanas serían una adición estándar a cualquier equipo o estructura que sea especialmente vulnerable a los rayos.