Các tốc độ của âm thanh là tương đương với tốc độ mà sóng dọc truyền trong một môi trường nhất định, sản xuất lần ép liên tiếp và mở rộng, mà diễn giải não như âm thanh.

Do đó, sóng âm thanh truyền đi một khoảng cách nhất định trên một đơn vị thời gian, điều này phụ thuộc vào môi trường mà nó truyền qua. Thật vậy, sóng âm thanh đòi hỏi một môi trường vật chất để quá trình nén và giãn nở được đề cập ở phần đầu diễn ra. Đó là lý do tại sao âm thanh không truyền trong chân không.

Hình 1. Máy bay siêu thanh phá vỡ rào cản âm thanh. nguồn: pixbay

Nhưng vì chúng ta sống chìm trong đại dương không khí, sóng âm thanh có một phương tiện để di chuyển và cho phép nghe. Tốc độ âm thanh trong không khí ở 20ºC là khoảng 343 m / s (1087 ft / s), hoặc khoảng 1242 km / h nếu bạn thích.

Để tìm tốc độ âm thanh trong một phương tiện, bạn phải biết một chút về tính chất của nó.

Vì môi trường vật chất được thay đổi luân phiên để âm thanh có thể truyền qua, nên biết mức độ dễ dàng hay khó khăn của nó biến dạng. Mô-đun khả năng nén B cung cấp cho chúng tôi thông tin này.

Mặt khác, mật độ của môi trường, được ký hiệu là ρ, cũng sẽ có liên quan. Bất kỳ môi trường nào cũng có quán tính chuyển thành lực cản đối với sự truyền của sóng âm, trong trường hợp đó tốc độ của chúng sẽ thấp hơn.

Cách tính tốc độ âm thanh?

Tốc độ của âm thanh trong môi trường phụ thuộc vào tính chất đàn hồi và quán tính mà nó thể hiện. Gọi v là tốc độ âm thanh, nói chung đúng là:

Định luật Hooke phát biểu rằng độ biến dạng trong môi trường tỷ lệ với ứng suất tác dụng lên nó. Hằng số tỷ lệ chính xác là mô đun nén hoặc mô đun thể tích của vật liệu, được định nghĩa là:

Độ căng là sự thay đổi thể tích DV chia cho thể tích ban đầu V _o . Vì nó là tỷ lệ giữa các khối lượng, nó thiếu kích thước. Dấu trừ trước B có nghĩa là với sự cố gắng tăng áp suất, thể tích cuối cùng nhỏ hơn khối lượng ban đầu. Với tất cả những điều này, chúng tôi có được:

Trong chất khí, môđun thể tích tỉ lệ thuận với áp suất P, hằng số tỉ lệ là γ, gọi là hằng số khí đoạn nhiệt. Theo cách này:

Đơn vị của B giống như đơn vị của áp suất. Cuối cùng tốc độ là:

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