La velocità del suono è equivalente alla velocità con cui le onde longitudinali si propagano in un dato mezzo, producendo successive compressioni ed espansioni, che il cervello interpreta come suono.

Pertanto, l'onda sonora percorre una certa distanza per unità di tempo, che dipende dal mezzo attraverso il quale viaggia. Infatti, le onde sonore richiedono un mezzo materiale per le compressioni e le espansioni menzionate all'inizio. Ecco perché il suono non si propaga nel vuoto.

Figura 1. Piano supersonico che rompe la barriera del suono. fonte: pixbay

Ma poiché viviamo sommersi in un oceano d'aria, le onde sonore hanno un mezzo in cui muoversi e che permette l'udito. La velocità del suono nell'aria a 20ºC è di circa 343 m / s (1087 ft / s), o di circa 1242 km / h se si preferisce.

Per trovare la velocità del suono in un mezzo, devi conoscere un po 'le sue proprietà.

Poiché il mezzo materiale viene modificato alternativamente in modo che il suono possa propagarsi, è bene sapere quanto sia facile o difficile deformarlo. Il modulo di compressibilità B ci offre queste informazioni.

D'altra parte, anche la densità del mezzo, indicata come ρ, sarà rilevante. Qualsiasi mezzo ha un'inerzia che si traduce in resistenza al passaggio delle onde sonore, nel qual caso la loro velocità sarà inferiore.

Come calcolare la velocità del suono?

La velocità del suono in un mezzo dipende dalle sue proprietà elastiche e dall'inerzia che presenta. Sia v la velocità del suono, in generale è vero che:

La legge di Hooke afferma che la deformazione nel mezzo è proporzionale allo stress applicato ad esso. La costante di proporzionalità è proprio il modulo di compressibilità o modulo volumetrico del materiale, che viene definito come:

Lo strain è il cambio di volume DV diviso per il volume originale V _o . Poiché è il rapporto tra i volumi, manca di dimensioni. Il segno meno prima di B significa che con lo sforzo fatto, che è un aumento della pressione, il volume finale è inferiore a quello iniziale. Con tutto questo otteniamo:

In un gas, il modulo volumetrico è proporzionale alla pressione P, la costante di proporzionalità essendo γ, chiamata costante del gas adiabatico. In questo modo:

Le unità di B sono le stesse di quelle per la pressione. Infine la velocità è come:

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