Brzina zvuka je jednaka brzini kojom uzdužni valovi prostiru na određenom mediju, proizvodnju uzastopne kompresije i proširenja, koje mozak interpretira kao zvuk.

Tako zvučni val prelazi određenu udaljenost po jedinici vremena, što ovisi o mediju kroz koji putuje. Zapravo, za zvučne valove potreban je materijalni medij da bi se mogli izvršiti kompresije i proširenja na početku. Zbog toga se zvuk ne širi u vakuumu.

Slika 1. Nadzvučna ravnina koja probija zvučnu barijeru. izvor: pixbay

Ali budući da živimo potopljeni u oceanu zraka, zvučni valovi imaju medij u kojem se mogu kretati i to omogućuje sluh. Brzina zvuka u zraku na 20 ° C iznosi oko 343 m / s (1087 ft / s), odnosno oko 1242 km / h, ako više želite.

Da biste pronašli brzinu zvuka u mediju, morate malo znati o njegovim svojstvima.

Budući da je materijal materijal naizmjenično modificiran tako da zvuk može širiti, dobro je znati koliko je lako ili teško deformirati ga. Modul za kompresibilnost B nudi nam ove podatke.

S druge strane, gustoća medija, označena kao ρ, također će biti relevantna. Bilo koji medij ima inerciju koja se pretvara u otpor prolaska zvučnih valova, u tom slučaju će njihova brzina biti manja.

Kako izračunati brzinu zvuka?

Brzina zvuka u mediju ovisi o njegovim elastičnim svojstvima i inerciji koju predstavlja. Neka je v brzina zvuka, općenito je istina da:

Hookeov zakon kaže da je deformacija u mediju proporcionalna naprezanju na njega. Konstanta proporcionalnosti upravo je modul stisljivosti ili volumetrijski modul materijala, koji je definiran kao:

Naprezanje je DV za promjenu glasnoće podijeljen s izvornim volumenom V _o. Kako je omjer volumena, nema dimenzija. Znak minus pred B znači da je uz učinjeni napor, a to je porast tlaka, konačni volumen manji od početnog. Uz sve to dobivamo:

U plinu je volumetrijski modul proporcionalan tlaku P, pri čemu je konstanta proporcionalnosti γ, koja se naziva adijabatska plinska konstanta. Na ovaj način:

Jedinice B su iste kao i one za pritisak. Konačno brzina je:

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