Prędkość dźwięku jest równoznaczne z szybkością, z tym, które fale podłużne propagacji w danej pożywce, wytwarzając kolejne sprężenia i rozszerzenia, które w interpretuje mózgu jak dźwięk.

Zatem fala dźwiękowa przemieszcza się na pewną odległość na jednostkę czasu, która zależy od medium, przez które się przemieszcza. Rzeczywiście, fale dźwiękowe wymagają medium materialnego dla wspomnianych na początku kompresji i ekspansji. Dlatego dźwięk nie rozchodzi się w próżni.

Rysunek 1. Płaszczyzna naddźwiękowa przełamująca barierę dźwięku. źródło: pixbay

Ale ponieważ żyjemy zanurzeni w oceanie powietrza, fale dźwiękowe mają medium, w którym się poruszają, co umożliwia słyszenie. Prędkość dźwięku w powietrzu przy 20ºC wynosi około 343 m / s (1087 ft / s) lub, jeśli wolisz, około 1242 km / h.

Aby znaleźć prędkość dźwięku w medium, trzeba trochę wiedzieć o jego właściwościach.

Ponieważ nośnik materiału jest na przemian modyfikowany, aby dźwięk mógł się rozchodzić, dobrze jest wiedzieć, jak łatwo lub trudno jest go zdeformować. Moduł ściśliwości B dostarcza nam tych informacji.

Z drugiej strony, istotna będzie również gęstość ośrodka, oznaczona jako ρ. Każde medium ma bezwładność, która przekłada się na odporność na przechodzenie fal dźwiękowych, w którym to przypadku ich prędkość będzie mniejsza.

Jak obliczyć prędkość dźwięku?

Prędkość dźwięku w ośrodku zależy od jego właściwości sprężystych i bezwładności, jaką on prezentuje. Niech v będzie prędkością dźwięku, generalnie prawdą jest, że:

Prawo Hooke'a mówi, że odkształcenie w ośrodku jest proporcjonalne do przyłożonego do niego naprężenia. Stała proporcjonalności to właśnie moduł ściśliwości lub moduł objętościowy materiału, który definiuje się jako:

Odkształcenie to zmiana objętości DV podzielona przez pierwotną objętość V _o . Ponieważ jest to stosunek między tomami, brakuje mu wymiarów. Znak minus przed B oznacza, że ​​przy wysiłku, który jest wzrostem ciśnienia, końcowa objętość jest mniejsza niż początkowa. Dzięki temu otrzymujemy:

W gazie moduł objętościowy jest proporcjonalny do ciśnienia P, przy czym stała proporcjonalności wynosi γ, zwana stałą gazową adiabatyczną. W ten sposób:

Jednostki B są takie same jak jednostki ciśnienia. Wreszcie prędkość jest następująca:

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