Rýchlosť zvuku je ekvivalentná k rýchlosti, s ktorou pozdĺžne vlny šíria v danom médiu, produkujúce postupných kompresie a expanzie, ktoré mozgu interpretuje ako zvuk.

Zvuková vlna tak prechádza určitú vzdialenosť za jednotku času, čo závisí od média, cez ktoré prechádza. Zvukové vlny skutočne vyžadujú materiálne médium na uskutočnenie kompresií a expanzií uvedených na začiatku. To je dôvod, prečo sa zvuk nešíri vo vákuu.

Obrázok 1. Nadzvuková rovina prerušujúca zvukovú bariéru. zdroj: pixbay

Ale pretože žijeme ponorení do oceánu vzduchu, zvukové vlny majú médium, v ktorom sa môžu pohybovať a ktoré umožňujú sluch. Rýchlosť zvuku vo vzduchu pri 20 ° C je asi 343 m / s (1087 ft / s) alebo asi 1242 km / h, ak uprednostňujete.

Ak chcete nájsť rýchlosť zvuku v médiu, musíte niečo vedieť o jeho vlastnostiach.

Pretože materiálne médium je striedavo upravené tak, aby sa mohol šíriť zvuk, je dobré vedieť, aké ľahké alebo ťažké je jeho deformovanie. Kompresibilný modul B nám poskytuje tieto informácie.

Na druhej strane bude tiež dôležitá hustota média označená ako ρ. Každé médium má zotrvačnosť, ktorá sa premieta do odporu voči priechodu zvukových vĺn, v takom prípade bude ich rýchlosť nižšia.

Ako vypočítať rýchlosť zvuku?

Rýchlosť zvuku v médiu závisí od jeho elastických vlastností a zotrvačnosti, ktorú predstavuje. Nech v je rýchlosť zvuku, vo všeobecnosti platí, že:

Hooke zákon uvádza, že deformácia v médiu je úmerná stresu, ktorý naň pôsobí. Konštanta proporcionality je presne modul stlačiteľnosti alebo objemový modul materiálu, ktorý je definovaný ako:

Kmeň je zmena hlasitosti DV vydelená pôvodným objemom V _o . Keďže ide o pomer medzi objemami, postrádajú rozmery. Znamienko mínus pred B znamená, že s vynaloženým úsilím, ktoré predstavuje zvýšenie tlaku, je konečný objem menší ako pôvodný objem. To všetko získame:

V plyne je objemový modul úmerný tlaku P, čo je konštanta proporcionality γ, nazývaná adiabatická konštanta plynu. Touto cestou:

Jednotky B sú rovnaké ako jednotky tlaku. Nakoniec je rýchlosť takáto:

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