ความเร็วของเสียงคือเทียบเท่ากับความเร็วที่คลื่นยาวเผยแพร่ในสื่อที่ได้รับการผลิตการกดต่อเนื่องและการขยายซึ่งตีความสมองเป็นเสียง

ดังนั้นคลื่นเสียงจึงเดินทางเป็นระยะทางหนึ่งต่อหนึ่งหน่วยเวลาซึ่งขึ้นอยู่กับตัวกลางที่มันเคลื่อนที่ไป อันที่จริงคลื่นเสียงจำเป็นต้องใช้วัสดุสำหรับการบีบอัดและการขยายที่กล่าวถึงในตอนต้นจึงจะเกิดขึ้น นั่นคือเหตุผลที่เสียงไม่แพร่กระจายในสุญญากาศ

รูปที่ 1. เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงทำลายกำแพงเสียง ที่มา: pixbay

แต่เนื่องจากเราจมอยู่ใต้น้ำในมหาสมุทรคลื่นเสียงจึงมีตัวกลางในการเคลื่อนที่และทำให้ได้ยิน ความเร็วของเสียงในอากาศที่20ºCคือประมาณ 343 ม. / วินาที (1087 ฟุต / วินาที) หรือประมาณ 1242 กม. / ชม. หากคุณต้องการ

ในการหาความเร็วของเสียงในสื่อคุณต้องรู้คุณสมบัติของมันเล็กน้อย

เนื่องจากตัวกลางของวัสดุมีการปรับเปลี่ยนสลับกันเพื่อให้เสียงสามารถแพร่กระจายได้จึงควรทราบว่าการทำให้เสียรูปง่ายหรือยากเพียงใด โมดูลการบีบอัด B ให้ข้อมูลนี้แก่เรา

ในทางกลับกันความหนาแน่นของตัวกลางที่แสดงเป็นρก็จะเกี่ยวข้องด้วยเช่นกัน สื่อใด ๆ มีความเฉื่อยที่แปลเป็นความต้านทานต่อการผ่านของคลื่นเสียงซึ่งในกรณีนี้ความเร็วของมันจะต่ำลง

วิธีการคำนวณความเร็วของเสียง?

ความเร็วของเสียงในสื่อขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ยืดหยุ่นและความเฉื่อยที่แสดง ให้ v เป็นความเร็วของเสียงโดยทั่วไปแล้วเป็นความจริงที่:

กฎของฮุคระบุว่าการเปลี่ยนรูปในตัวกลางเป็นสัดส่วนกับความเค้นที่ใช้กับมัน ค่าคงที่ของสัดส่วนคือโมดูลัสการบีบอัดหรือโมดูลัสเชิงปริมาตรของวัสดุอย่างแม่นยำซึ่งกำหนดเป็น:

ความเครียดเป็น DV การเปลี่ยนแปลงปริมาณการหารด้วยปริมาณเดิม V o เนื่องจากเป็นอัตราส่วนระหว่างปริมาณจึงขาดมิติ เครื่องหมายลบก่อน B หมายความว่าด้วยความพยายามที่เพิ่มขึ้นซึ่งเป็นความดันที่เพิ่มขึ้นปริมาตรสุดท้ายจะน้อยกว่าค่าเริ่มต้น ทั้งหมดนี้เราได้รับ:

ในก๊าซโมดูลัสเชิงปริมาตรเป็นสัดส่วนกับความดัน P ค่าคงที่ของสัดส่วนเป็นγเรียกว่าค่าคงที่ของก๊าซอะเดียแบติก ทางนี้:

หน่วยของ B เหมือนกับหน่วยความดัน ในที่สุดความเร็วก็เท่ากับ:

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