The kecepatan suara adalah setara dengan kecepatan yang gelombang longitudinal merambat dalam medium tertentu, memproduksi kompresi berturut-turut dan ekspansi, yang menafsirkan otak sebagai suara.

Dengan demikian, gelombang suara bergerak dalam jarak tertentu per satuan waktu, yang bergantung pada media yang dilaluinya. Memang, gelombang suara membutuhkan media material untuk kompresi dan ekspansi yang disebutkan di awal berlangsung. Itulah mengapa suara tidak merambat dalam ruang hampa.

Gambar 1. Pesawat supersonik memecahkan penghalang suara. sumber: pixbay

Tetapi karena kita hidup terendam di lautan udara, gelombang suara memiliki media untuk bergerak dan memungkinkan pendengaran. Kecepatan suara di udara pada 20ºC adalah sekitar 343 m / s (1087 ft / s), atau sekitar 1242 km / jam jika Anda mau.

Untuk mengetahui kecepatan suara dalam suatu medium, Anda harus mengetahui sedikit tentang sifat-sifatnya.

Karena media material dimodifikasi secara bergantian sehingga suara dapat merambat, ada baiknya untuk mengetahui seberapa mudah atau sulit untuk mengubah bentuknya. Modul kompresibilitas B memberi kita informasi ini.

Di sisi lain, densitas medium, dilambangkan sebagai ρ, juga akan relevan. Setiap media memiliki kelembaman yang diterjemahkan menjadi resistensi terhadap aliran gelombang suara, dalam hal ini kecepatannya akan lebih rendah.

Bagaimana cara menghitung kecepatan suara?

Kecepatan suara dalam suatu media bergantung pada sifat elastisnya dan kelembaman yang dimilikinya. Misalkan v adalah kecepatan suara, secara umum memang benar bahwa:

Hukum Hooke menyatakan bahwa deformasi dalam medium sebanding dengan tegangan yang diberikan padanya. Konstanta proporsionalitas tepatnya adalah modulus kompresibilitas atau modulus volumetrik material, yang didefinisikan sebagai:

Regangan adalah perubahan volume DV dibagi dengan volume asli V _o . Karena ini adalah rasio antar volume, ia tidak memiliki dimensi. Tanda minus sebelum B berarti dengan usaha yang dilakukan, yaitu peningkatan tekanan, volume akhir lebih kecil dari volume awal. Dengan semua ini kami memperoleh:

Dalam gas, modulus volumetrik sebanding dengan tekanan P, konstanta proporsionalitas adalah γ, disebut konstanta gas adiabatik. Lewat sini:

Satuan B sama dengan satuan tekanan. Akhirnya kecepatannya adalah sebagai:

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