Sonido de "bofetada" cuando los trenes se cruzan

Question

Me he dado cuenta de que cuando voy en un tren viajando a más de 100 kmh $^{-1}$ Cuando un tren que viaja a una velocidad similar pasa en dirección opuesta, se oye un fuerte "golpe", seguido de un "silbido" cuando el aire se separa entre los dos trenes.

Me preguntaba cuál es el origen de este sonido inicial de "bofetada", y si se emite cuando los frentes de los trenes se nivelan entre sí, o cuando el frente del tren contrario se nivela con tu ventana.

Dado que el sonido (según mi experiencia) nunca se oye al ver pasar dos trenes desde el andén, supongo que se debe a la repentina compresión del aire fuera de la ventana, que genera una onda sonora que sólo pueden oír las personas que viajan con los trenes. Sin embargo, todavía no estoy seguro de lo que supone la presencia de dos trenes tiene que ver con esto: no se oye cuando uno se queda parado en un andén y ve pasar un solo tren, incluso cuando la velocidad relativa es similar a la que podría observarse entre dos trenes? ¿Qué es lo que realmente provoca este sonido?

Answer 1

Todo objeto que se mueve en el aire tiene un frente de onda, como un barco que se mueve en el agua. Cuanto más rápido se mueve el objeto, mayor es el frente de onda y su amplitud.

Cuando dos frentes de onda chocan entre sí, suman sus amplitudes. Los frentes de onda están ligeramente por detrás y a los lados de los frentes de los trenes. Cuando dos trenes pasan uno junto al otro a gran velocidad, los frentes de onda chocan entre los trenes, sumándose.

Además, cuando los frentes de los trenes se cruzan, están comprimiendo el aire entre ellos, lo que también aumenta la amplitud de la onda (al fin y al cabo, es una onda de compresión), algo que no puede ocurrir sin otro tren, o posiblemente sin una pared del túnel muy cercana. Los lados de los trenes, al moverse rápidamente, invocan el principio de Bernoulli, lo que da lugar a una baja presión entre los trenes que contrasta con la alta presión alrededor de los frentes de los trenes.

Si los trenes se mueven lo suficientemente rápido y tienen la forma adecuada, se producirá un sonido similar a una bofetada entre los trenes al pasar. Si cada uno de ellos se mueve a la mitad de la velocidad del sonido, el sonido resultante de las bofetadas será similar a un estampido sónico.

Esto ocurre sólo entre los trenes, porque sólo entre los trenes se dan estas circunstancias. En un andén, no se oye porque el tren bloquea el sonido. Si pudieras situarte entre los trenes que pasan de cerca (de alguna manera), oirías el sonido. Sin embargo, si estás en un andén entre los trenes, no funcionará porque los trenes están demasiado separados; sus frentes de onda no llegan muy lejos.

Aquí hay un enlace a una presentación de diapositivas que simplifica un largo documento escrito sobre este mismo tema. Si desea el documento completo, puede encontrarlo aquí.

A continuación se muestra una imagen que representa las soluciones de las ecuaciones de presión. Es sencillo ver cómo la alta presión delante del tren rojo empujaría las ventanillas y la carrocería del tren azul. Al pasar la parte delantera del tren res, la rápida transición de presión media a alta y a baja probablemente rompería las ventanas y la carrocería exterior del tren azul lo suficiente como para producir el mencionado sonido de "bofetada" en el interior del vagón. Este sonido se ve acentuado por los espacios entre los vagones, y especialmente por la parte delantera del tren.

Para ser claros, este documento es probablemente la mejor explicación que vas a obtener sobre este tema. He hecho todo lo posible para entender de dónde vendría este "sonido de bofetada" descrito basándome en él. La única forma que se me ocurre para obtener más información es hacer una simulación más compleja o un vídeo a cámara lenta del exterior del tren mientras el otro pasa. Sería genial ver la ondulación a través de la carrocería del tren cuando el otro tren pasa.

EDIT: Para aclarar, hay dos fuentes de sonido aquí: 1 - Los frentes de los trenes que chocan entre sí. Y 2 - La diferencia de presión que crea una ondulación en el exterior de la carrocería de los trenes.

Answer 2

Cuando el tren se mueve, desplaza el aire por delante y por los lados. Así que, básicamente, lo que se oye es el impacto causado por los "frentes de aire" desplazados por los dos trenes que chocan entre sí.

Se necesitan dos frentes de aire para escuchar el sonido, por lo que debe haber dos trenes. Además, la velocidad debe ser lo suficientemente alta como para comprimir significativamente el aire: por eso no se oye cuando dos trenes pasan uno al lado del otro en el andén.

Answer 3

Oigo esto regularmente. Creo que es una combinación de los efectos anteriores. El primer efecto es un frente de aire comprimido que es forzado por delante de cada uno de los trenes. Pero entonces, cuando los frentes de los trenes se encuentran y pasan, el efecto Bernoulli lleva a baja presión entre los trenes. Pero esto no es uniforme, cada vagón tiene su propio mini frente de aire, y los vagones tienen numerosas ventanas y puertas, dando numerosas entradas y salidas.

El resultado es que las ondas de aire de alta y baja presión se entremezclan en el interior y entre los vagones, donde la sección transversal del espacio también varía rápidamente, y esto provoca picos y valles de presión de aire que impactan en los lados menos sólidos y en las ventanas y puertas que pueden entrar y salir.

Por lo tanto, lo que se oye es un gran estruendo cuando los frentes del tren se encuentran; estruendos menores en cada vagón; puertas y ventanas golpeadas hacia dentro y hacia fuera en un patrón rítmico relacionado con el paso de vagones muy similares en secuencia por la variación de la presión del aire; y así sucesivamente.

Answer 4

Vale la pena mencionar dos cosas.

1. El sonido es una onda de presión que viaja en el aire.
2. Cuando el tren está en movimiento, trae movimiento al aire por el tren. Y cuando la velocidad del aire aumenta, la presión del aire disminuye en base (se puede ver en la ecuación de Bernoulli).

Cuando dos trenes se mueven de forma opuesta, el flujo de aire es bastante más fuerte si no se duplica. La presión es menor. El flujo es turbulento y la presión no se distribuye uniformemente en el espacio entre dos trenes. Por lo tanto, se puede escuchar el golpeteo.