De geluidssnelheid is gelijk aan de snelheid waarmee longitudinale golven zich voortplanten in een bepaald medium, waarbij ze opeenvolgende compressies en expansies produceren, die de hersenen interpreteren als geluid.

De geluidsgolf legt dus een bepaalde afstand per tijdseenheid af, die afhankelijk is van het medium waardoor hij reist. Geluidsgolven hebben inderdaad een materiaalmedium nodig om de in het begin genoemde compressies en expansies te laten plaatsvinden. Dat is de reden waarom geluid zich niet voortplant in een vacuüm.

Figuur 1. Supersonisch vliegtuig breekt de geluidsbarrière. bron: pixbay

Maar omdat we ondergedompeld in een oceaan van lucht leven, hebben geluidsgolven een medium om in te bewegen en dat maakt gehoor mogelijk. De geluidssnelheid in lucht bij 20 ° C is ongeveer 343 m / s (1087 ft / s), of ongeveer 1242 km / u als u dat wilt.

Om de geluidssnelheid in een medium te vinden, moet je iets weten over de eigenschappen ervan.

Omdat het materiële medium afwisselend wordt gemodificeerd zodat geluid zich kan voortplanten, is het goed om te weten hoe gemakkelijk of moeilijk het is om het te vervormen. De samendrukbaarheid module B biedt ons deze informatie.

Aan de andere kant zal de dichtheid van het medium, aangeduid als ρ, ook relevant zijn. Elk medium heeft een traagheid die zich vertaalt in weerstand tegen het passeren van geluidsgolven, in welk geval hun snelheid lager zal zijn.

Hoe bereken je de geluidssnelheid?

De geluidssnelheid in een medium hangt af van de elastische eigenschappen en de traagheid die het presenteert. Laat v de geluidssnelheid zijn, in het algemeen is het waar dat:

De wet van Hooke stelt dat de vervorming in het medium evenredig is met de spanning die erop wordt uitgeoefend. De evenredigheidsconstante is precies de samendrukbaarheidsmodulus of volumetrische modulus van het materiaal, die wordt gedefinieerd als:

Stam is de volumeverandering DV gedeeld door het oorspronkelijke volume V _o . Omdat het de verhouding tussen volumes is, mist het afmetingen. Het minteken voor B betekent dat met de geleverde inspanning, namelijk een toename van de druk, het uiteindelijke volume kleiner is dan het oorspronkelijke volume. Met dit alles verkrijgen we:

In een gas is de volumetrische modulus evenredig met de druk P, waarbij de evenredigheidsconstante γ is, de adiabatische gasconstante genoemd. Op deze manier:

De eenheden van B zijn dezelfde als die voor druk. Eindelijk is de snelheid als:

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