Viteza sunetului este echivalentă cu viteza cu care undele longitudinale se propagă într - un mediu dat, producând compresiuni și extinderi succesive, pe care interpretii creierului ca sunet.

Astfel, unda sonoră parcurge o anumită distanță pe unitatea de timp, care depinde de mediul prin care călătorește. Într-adevăr, undele sonore necesită un mediu material pentru ca compresiunile și expansiunile menționate la început să aibă loc. De aceea, sunetul nu se propagă în vid.

Figura 1. Planul supersonic care rup bariera sonoră. sursa: pixbay

Dar, deoarece trăim scufundate într-un ocean de aer, undele sonore au un mediu în care să se miște și care permite auzul. Viteza sunetului în aer la 20ºC este de aproximativ 343 m / s (1087 ft / s), sau aproximativ 1242 km / h dacă doriți.

Pentru a găsi viteza sunetului într-un mediu, trebuie să știți puțin despre proprietățile sale.

Deoarece mediul material este modificat alternativ, astfel încât sunetul să se poată propaga, este bine să știm cât de ușor sau dificil este să-l deformăm. Modulul de compresibilitate B ne oferă aceste informații.

Pe de altă parte, densitatea mediului, notată ca ρ, va fi, de asemenea, relevantă. Orice mediu are o inerție care se traduce prin rezistență la trecerea undelor sonore, caz în care viteza lor va fi mai mică.

Cum se calculează viteza sunetului?

Viteza sunetului într-un mediu depinde de proprietățile sale elastice și de inerția pe care o prezintă. Să fie viteza sunetului, în general, este adevărat că:

Legea lui Hooke afirmă că deformarea în mediu este proporțională cu stresul aplicat acestuia. Constanta de proporționalitate este tocmai modulul de compresibilitate sau modulul volumetric al materialului, care este definit ca:

Tulpina este schimbarea de volum DV divizată la volumul original V _o . Întrucât este raportul dintre volume, îi lipsește dimensiunile. Semnul minus înainte de B înseamnă că, cu efortul depus, care este o creștere a presiunii, volumul final este mai mic decât cel inițial. Cu toate acestea obținem:

Într-un gaz, modulul volumetric este proporțional cu presiunea P, constanta de proporționalitate fiind γ, numită constantă adiabatică a gazului. În acest fel:

Unitățile din B sunt aceleași ca cele pentru presiune. În cele din urmă, viteza este următoarea:

Sonido y temperatura

De lo dicho anteriormente se desprende que la temperatura es realmente un factor determinante en la velocidad del sonido en un medio.

A medida que la sustancia se calienta, sus moléculas adquieren mayor rapidez y son capaces de colisionar con mayor frecuencia. Y mientras más colisionen, mayor será la velocidad del sonido en su interior.

Usualmente interesan mucho los sonidos que viajan por la atmósfera, ya que en esta nos encontramos inmersos y pasamos la mayor parte del tiempo. En tal caso la relación entre la rapidez del sonido y la temperatura es la siguiente:

331 m/s es la velocidad del sonido en el aire a 0 º C. A 20 º C ,que equivalen a 293 kelvin, la velocidad del sonido es 343 m/s, como se mencionó al comienzo.

El número de Mach

El número Mach es una cantidad sin dimensiones que viene dada por el cociente entre la velocidad de un objeto, generalmente un avión, y la velocidad del sonido. Es muy conveniente para saber lo rápido que se mueve una aeronave con respecto al sonido.

Sea M el número Mach, V la velocidad del objeto -la aeronave-, y v_s la velocidad del sonido, tenemos:

Por ejemplo, si una aeronave se mueve a Mach 1, su velocidad es la misma que la del sonido, si se mueve a Mach 2 es el doble y así sucesivamente. Algunos aviones militares experimentales no tripulados incluso han llegado a Mach 20.

Velocidad del sonido en diferentes medios (aire, acero, agua…)

Casi siempre el sonido viaja más deprisa en los sólidos que en los líquidos, y a su vez es más rápido en los líquidos que en los gases, aunque hay algunas excepciones. El factor determinante es la elasticidad del medio, que es mayor conforme aumenta la cohesión entre los átomos o las moléculas que lo conforman.

Por ejemplo, en el agua el sonido se desplaza con más rapidez que en el aire. Esto se advierte de inmediato al sumergir la cabeza en el mar. Los sonidos de los motores de las embarcaciones lejanas se aprecian con más facilidad que al estar fuera del agua.

A continuación la velocidad del sonido para distintos medios, expresada en m/s:

• Aire (0 ºC): 331
• Aire (100 ºC): 386
• Agua dulce (25 ºC): 1493
• Agua de mar (25 ºC): 1533

Sólidos a temperatura ambiente

• Acero (Carbono 1018): 5920
• Hierro dulce: 5950
• Cobre: 4660
• Cobre enrollado: 5010
• Plata: 3600
• Vidrio: 5930
• Poliestireno: 2350
• Teflón: 1400
• Porcelana: 5840

Referencias

1. Elcometer. Tabla de velocidades para materiales predefinidos. Recobrado de: elcometer.com.
2. NASA. Speed of sound. Recobrado de: nasa.gov
3. Tippens, P. 2011. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. McGraw Hill
4. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentos de Física. 9^na Ed. Cengage Learning.
5. Universidad de Sevilla. Número de Mach. Recuperado de: laplace.us.es