Швидкість звуку дорівнює швидкості , з якою поздовжні хвилі поширюються в даному середовищі, виробляючи послідовні стиснення і розширення, яку інтерпретує мозку , як звук.

Таким чином, звукова хвиля проходить певну відстань за одиницю часу, що залежить від середовища, через яке вона проходить. Дійсно, для звукових хвиль потрібне матеріальне середовище для стиснення та розширення, згаданих на початку. Ось чому звук не поширюється у вакуумі.

Малюнок 1. Звукова площина, що розриває звуковий бар'єр. джерело: pixbay

Але оскільки ми живемо зануреними в океан повітря, звукові хвилі мають середовище для переміщення, і це дозволяє чути. Швидкість звуку в повітрі при 20ºC становить приблизно 343 м / с (1087 фут / с), або приблизно 1242 км / год, якщо вам більше зручно.

Щоб знайти швидкість звуку в середовищі, ви повинні трохи знати про його властивості.

Оскільки матеріальне середовище змінюється поперемінно, щоб звук міг поширюватися, добре знати, наскільки легко чи важко деформувати його. Модуль стиснення B пропонує нам цю інформацію.

З іншого боку, також буде актуальною щільність середовища, позначена як ρ. Будь-яке середовище має інерцію, що перетворюється на опір проходженню звукових хвиль, і в цьому випадку їх швидкість буде нижчою.

Як обчислити швидкість звуку?

Швидкість звуку в середовищі залежить від його еластичних властивостей та інерції, яку він представляє. Нехай v - швидкість звуку, загалом це правда, що:

Закон Гука стверджує, що деформація в середовищі пропорційна напруженню, яке на нього застосовується. Константою пропорційності є саме модуль стиснення або об'ємний модуль матеріалу, який визначається як:

Штам - це зміна гучності DV, поділене на вихідний об'єм V _o . Оскільки це співвідношення між обсягами, воно не має розмірів. Знак мінус перед В означає, що при докладених зусиллях, що є збільшенням тиску, кінцевий обсяг менше початкового. З усього цього ми отримуємо:

У газі об'ємний модуль пропорційний тиску P, константа пропорційності якого γ, називається адиабатичною газовою постійною. Таким чином:

Одиниці B такі ж, як і для тиску. Нарешті швидкість така:

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