Скорость звука равна скорости , с которой продольные волны распространяются в данной среде, производя последовательные сжатия и расширения, которую интерпретирует мозга , как звук.

Таким образом, звуковая волна проходит определенное расстояние за единицу времени, которое зависит от среды, через которую она распространяется. Действительно, звуковые волны требуют материальной среды для сжатия и расширения, упомянутого в начале. Вот почему звук не распространяется в вакууме.

Рис. 1. Сверхзвуковой самолет, преодолевший звуковой барьер. источник: pixbay

Но поскольку мы живем в океане воздуха, у звуковых волн есть среда, в которой можно двигаться, и это позволяет слышать. Скорость звука в воздухе при 20 ° C составляет около 343 м / с (1087 футов / с) или около 1242 км / ч, если хотите.

Чтобы определить скорость звука в среде, вам нужно немного узнать о ее свойствах.

Поскольку материальная среда поочередно модифицируется таким образом, чтобы звук мог распространяться, хорошо знать, насколько легко или сложно ее деформировать. Эту информацию нам предлагает модуль сжимаемости B.

С другой стороны, плотность среды, обозначенная как ρ, также будет иметь значение. Любая среда обладает инерцией, которая выражается в сопротивлении прохождению звуковых волн, и в этом случае их скорость будет ниже.

Как рассчитать скорость звука?

Скорость звука в среде зависит от ее упругих свойств и инерции, которую она представляет. Пусть v будет скоростью звука, в общем случае верно, что:

Закон Гука гласит, что деформация среды пропорциональна приложенному к ней напряжению. Константа пропорциональности - это в точности модуль сжимаемости или объемный модуль упругости материала, который определяется как:

Деформация - это изменение объема DV, деленное на исходный объем V _o . Поскольку это соотношение объемов, ему не хватает размеров. Знак минус перед B означает, что с приложенным усилием, которое является увеличением давления, конечный объем меньше начального. При этом получаем:

В газе объемный модуль пропорционален давлению P, константа пропорциональности равна γ, что называется адиабатической газовой постоянной. В этом случае:

Единицы измерения B такие же, как и для давления. В итоге скорость такая:

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