Skaņas ātrums ir vienāds ar ātrumu, ar kādu garenvirziena viļņi izplatās noteiktā vidē, kas ražo secīgas kompresiju un paplašināšanu, kuras smadzenes interpretē kā skaņu.

Tādējādi skaņas vilnis pārvietojas noteiktā attālumā uz laika vienību, kas ir atkarīgs no vides, caur kuru tas pārvietojas. Skaņas viļņiem patiešām ir nepieciešama materiāla vide, lai notiktu sākumā minētie saspiešanas un paplašinājumi. Tāpēc skaņa neizplatās vakuumā.

1. attēls. Virsskaņas plakne, kas pārkāpj skaņas barjeru. avots: pixbay

Bet, tā kā mēs dzīvojam gaisa okeānā, skaņas viļņiem ir kustību vide, kas ļauj dzirdēt. Skaņas ātrums gaisā 20ºC temperatūrā ir aptuveni 343 m / s (1087 pēdas / s) vai, ja vēlaties, aptuveni 1242 km / h.

Lai atrastu skaņas ātrumu vidē, jums nedaudz jāzina par tā īpašībām.

Tā kā materiālā vide ir pārmaiņus modificēta tā, lai skaņa varētu izplatīties, ir labi zināt, cik viegli vai grūti to deformēt. Saspiežamības modulis B piedāvā mums šo informāciju.

No otras puses, būtisks būs arī barotnes blīvums, ko apzīmē ar ρ. Jebkurai videi ir inerce, kas pārvēršas par pretestību skaņas viļņu pārejai, un tādā gadījumā to ātrums būs mazāks.

Kā aprēķināt skaņas ātrumu?

Skaņas ātrums vidē ir atkarīgs no tā elastīgajām īpašībām un inerces, ko tas rada. Ļaujiet v būt skaņas ātrumam, parasti ir taisnība, ka:

Hūka likumā teikts, ka deformācija vidē ir proporcionāla tam pielietotajam spriegumam. Proporcionalitātes konstante ir precīzi materiāla saspiežamības vai tilpuma modulis, ko definē kā:

Celms ir DV apjoma izmaiņas, dalītas ar sākotnējo skaļumu V _o . Tā kā tā ir attiecība starp apjomiem, tai trūkst izmēru. Mīnusa zīme pirms B nozīmē, ka ar pieliktajām pūlēm, kas ir spiediena palielināšanās, galīgais tilpums ir mazāks par sākotnējo. Ar visu to mēs iegūstam:

Gāzē tilpuma modulis ir proporcionāls spiedienam P, proporcionalitātes konstante ir γ, ko sauc par adiabātiskās gāzes konstanti. Pa šo ceļu:

B vienības ir tādas pašas kā spiedienam. Visbeidzot, ātrums ir šāds:

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