Rychlost zvuku je ekvivalentní k rychlosti, s níž podélné vlny šíří v daném médiu, produkující postupných komprese a expanze, které mozku interpretuje jako zvuk.

Zvuková vlna tak urazí určitou vzdálenost za jednotku času, což závisí na médiu, kterým prochází. Zvukové vlny skutečně vyžadují materiální médium pro uskutečnění kompresí a expanzí uvedených na začátku. To je důvod, proč se zvuk nešíří ve vakuu.

Obrázek 1. Nadzvuková rovina narušující zvukovou bariéru. zdroj: pixbay

Ale protože žijeme ponořeni do oceánu vzduchu, zvukové vlny mají médium, ve kterém se mohou pohybovat a které umožňují sluch. Rychlost zvuku ve vzduchu při 20 ° C je asi 343 m / s (1087 ft / s), nebo asi 1242 km / h, pokud dáváte přednost.

Chcete-li najít rychlost zvuku na médiu, musíte vědět něco o jeho vlastnostech.

Protože je materiální médium střídavě modifikováno tak, aby se zvuk mohl šířit, je dobré vědět, jak snadné nebo obtížné je deformovat. Tyto informace nám nabízí modul komprimovatelnosti B.

Na druhé straně bude také relevantní hustota média označená jako ρ. Jakékoli médium má setrvačnost, která se promítá do odporu vůči průchodu zvukových vln, v takovém případě bude jejich rychlost nižší.

Jak vypočítat rychlost zvuku?

Rychlost zvuku v médiu závisí na jeho elastických vlastnostech a setrvačnosti, kterou představuje. Nechť v je rychlost zvuku, obecně platí, že:

Hookeův zákon uvádí, že deformace v médiu je úměrná stresu, který na něj působí. Konstanta proporcionality je přesně modul stlačitelnosti nebo objemový modul materiálu, který je definován jako:

Kmen je změna hlasitosti DV dělená původní hlasitostí V _o. Protože jde o poměr mezi objemy, postrádá rozměry. Znaménko mínus před B znamená, že s vynaloženým úsilím, což je zvýšení tlaku, je konečný objem menší než původní. Se vším tím získáme:

V plynu je objemový modul úměrný tlaku P, přičemž konstanta proporcionality je γ, nazývaná adiabatická plynová konstanta. Takto:

Jednotky B jsou stejné jako jednotky tlaku. Nakonec je rychlost následující:

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