Perché l’elio fa sembrare la voce più acuta? La spiegazione fisica

Chissà quanti di voi alle feste avranno provato almeno una volta ad inalare l'elio dei palloncini, giocando col fatto che questo gas altera temporaneamente la voce! Questo effetto dipende dal fatto che il timbro della nostra voce dipende dalla velocità del suono nel gas che respiriamo, e la velocità del suono dell'elio è circa tripla rispetto alla velocità del suono nell'aria (circa 1030 m/s contro 340 m/s). È una questione di risonanza: le onde sonore prodotte dalle corde vocali risuonano nella cavità della bocca con particolari frequenze che sono direttamente proporzionali dalla velocità di propagazione del suono. Il risultato è che le frequenze della nostra voce risultano più alte e questo altera il nostro timbro vocale rendendolo più acuto.

Attenzione: inalare qualsiasi gas diverso dall'aria può causare scompensi. Questo perché introducendo nei nostri polmoni gas di diversa natura abbassiamo i livelli di ossigeno nei polmoni aumentando il rischio di asfissia. Respirare gas che non siano l'aria può creare effetti da lievi a medio-gravi che comprendono spossatezza, capogiri, mancanza del respiro, vomito, vertigini, indigestione, panico, perdita di coscienza e soffocamento.

Diciamo subito che l'elio – o qualunque altro gas – non influisce minimamente sulle frequenze prodotte dalle corde vocali. Queste strutture elastiche vibrano l'una contro l'altra aprendosi e chiudendosi centinaia di volte al secondo, producendo quindi onde sonore con determinate frequenze. L'attività delle corde vocali non è però l'unico fattore che determina il timbro della nostra voce, cioè il particolare mix di frequenze che ci permettono di distinguere una voce da un'altra. Il timbro vocale infatti è modulato dalle lunghezze d'onda che effettivamente risuonano nella cavità della nostra bocca, un po' come il timbro di una chitarra dipende da quali lunghezze d'onda risuonano all'interno della sua cassa. A tutti gli effetti possiamo quindi considerare la cavità della bocca come una cassa di risonanza: le dimensioni della “cassa” distruggono alcune onde, indebolendo le rispettive frequenze dal nostro timbro vocale, e ne amplificano altre, rafforzandole nel mix che costituisce il nostro timbro.

Le lunghezze d'onda "selezionate" dalla cavità orale sono fissate dalle sue dimensioni: per esempio, un'onda con lunghezza d'onda pari alle dimensioni della cavità rimbalzerà avanti e indietro rinforzandosi, mentre un'onda con una lunghezza d'onda che è metà delle dimensioni della cavità si autocancellerà rimbalzano nella cavità.

Però attenzione: la lunghezza d'onda e la frequenza di un'onda non sono la stessa cosa. Da un punto di vista fisico, la lunghezza d'onda è la distanza tra due creste consecutive di un'onda, mentre la frequenza è il numero di creste che attraversano un certo punto nell'unità di tempo. Le due grandezze sono legate da questa semplice formula:

frequenza = velocità dell'onda / lunghezza d'onda

Quindi, una volta che la cavità orale fissa le lunghezze d'onda che compongono le armoniche della nostra voce, le frequenze associate a queste lunghezze d'onda dipendono dalla velocità delle onde sonore. È qui che l'elio entra in gioco: la velocità del suono nell'elio è di circa 1030 m/s, mentre nell'aria alla stessa temperatura è circa un terzo (343 m/s). Guardando la formula sopra si capisce che, a parità di lunghezze d'onda, le relative frequenze sono più alte nell'elio: per la precisione, circa tre volte più alte! Questo significa che, inalando elio, le armoniche della nostra voce – che determinano complessivamente il nostro timbro vocale – saranno più alte e dunque la nostra voce risulterà più acuta. Lo ripetiamo: a cambiare con l'elio non è la frequenza complessiva della nostra voce ma il suo timbro, inteso come qualità del suono.

A questo punto ci si può chiedere: perché la velocità del suono nell'elio è più alta? Una nozione che si sente comunemente – però sbagliata – è che il suono si propaga più rapidamente nei mezzi più densi. In realtà è l'opposto: la velocità del suono diminuisce tanto più il mezzo è denso, a parità di tutto il resto. L'elio, infatti, ha circa un decimo della densità dell'aria, e questo è il motivo principale per cui la velocità del suono è più alta nell'elio. La velocità del suono dipende anche da un altro fattore molto importante, cioè l'elasticità del mezzo, che a sua volta dipende da altri parametri, ma senza addentrarci nei dettagli possiamo dire che tenendo conto di tutto risulta per l'elio una velocità del suono di circa 1030 m/s.

Esistono gas che fanno l'effetto opposto rispetto all'elio, abbassando il timbro della nostra voce. Un esempio è l'esafluoruro di zolfo (SF₆), che è quasi 6 volte più denso dell'aria e per questo produce un tono di voce “cavernoso”. L'effetto dura più a lungo rispetto a quello dell'elio perché l'esafluoruro di zolfo è più denso dell'aria, quindi tende a stare in basso e fa più fatica a uscire dai polmoni.

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