Qual é a velocidade do som?

Na atmosfera da Terra, o velocidade do som é 343 metros por segundo; ou um quilômetro a 2,91 por segundo ou uma milha a 4,69 por segundo.

A velocidade do som em um gás ideal depende apenas de sua temperatura e composição. A velocidade tem uma fraca dependência da frequência e da pressão no ar comum, desviando um pouco do comportamento ideal.

Qual a velocidade do som?

Normalmente, a velocidade do som se refere à velocidade com que as ondas sonoras viajam pelo ar. No entanto, a velocidade do som varia de acordo com a substância. Por exemplo, o som viaja mais lentamente em gases, viaja mais rápido em líquidos e até mais rápido em sólidos.

Se a velocidade do som é de 343 metros por segundo no ar, isso significa que ela viaja a 1484 metros por segundo em água e a cerca de 5.120 metros por segundo em ferro. Em um material excepcionalmente duro, como o diamante, por exemplo, o som viaja a 12.000 metros por segundo. Esta é a velocidade máxima na qual o som pode viajar em condições normais.

Ondas sonoras em sólidos são compostas de ondas de compressão - como em gases e líquidos - e de um tipo diferente de ondas chamadas ondas rotacionais, presentes apenas em sólidos. Ondas de rotação em sólidos geralmente viajam em velocidades diferentes.

A velocidade das ondas de compressão nos sólidos é determinada pela compressibilidade, a densidade e o módulo de elasticidade transversal do meio. A velocidade das ondas rotacionais é determinada apenas pela densidade e pelo módulo de elasticidade transversal do módulo.

No fluido dinâmico, a velocidade do som em um meio fluido, seja gás ou líquido, é usada como uma medida relativa para a velocidade de um objeto que se move através do meio.

A relação entre a velocidade de um objeto e a velocidade da luz em um fluido é chamada de Número de Marcha de um objeto. Objetos que se movem mais rápido do que 1 de março são chamados de objetos que viajam em velocidades supersônicas.

Conceitos básicos

A transmissão do som pode ser ilustrada usando um modelo que consiste em uma série de bolas interconectadas por fios.

Na vida real, as bolas representam as moléculas e os fios representam os elos entre elas. O som passa através do modelo comprimindo e expandindo os fios, transmitindo energia para as bolas vizinhas, que por sua vez transmitem a energia para seus fios e assim por diante.

A velocidade do som através do modelo depende da rigidez dos fios e da massa das bolas.

Enquanto o espaço entre as bolas é constante, os fios mais rígidos transmitem energia mais rapidamente, e as bolas com mais massa transmitem energia mais lentamente. Efeitos como dispersão e reflexão também podem ser entendidos com este modelo.

Em qualquer material real, a rigidez dos fios é chamada de módulo elástico e a massa corresponde à densidade. Se todas as outras coisas forem iguais, o som viajará mais lentamente em materiais esponjosos e mais rápido em materiais mais duros.

Por exemplo, o som viaja 1,59 vezes mais rápido através do níquel do que do bronze porque a rigidez do níquel é maior na mesma densidade.

Da mesma forma, o som viaja 1,41 vezes mais rápido em um hidrogênio leve (prótio) do que em um gás hidrogênio pesado (deutério), já que o gás pesado tem propriedades semelhantes, mas tem o dobro da densidade.

Ao mesmo tempo, o som "tipo de compressão" irá viajar mais rápido em sólidos do que líquidos e viajar mais rápido em líquidos do que em gases.

Este efeito deve-se ao facto dos sólidos terem mais dificuldade em comprimir do que os líquidos, enquanto os líquidos, por outro lado, são mais difíceis de comprimir do que os gases.

Ondas de compressão e ondas rotacionais

Em um gás ou líquido, o som consiste em ondas de compressão. Em sólidos, as ondas se propagam através de dois tipos diferentes de ondas. Uma onda longitudinal está associada à compressão e descompressão na direção da viagem; é o mesmo processo em gases e líquidos, com uma onda de compressão análoga em sólidos.

Apenas ondas de compressão existem em gases e líquidos. Um tipo adicional de onda, chamado de onda transversal ou onda rotacional, ocorre apenas em sólidos, uma vez que apenas sólidos podem suportar deformações elásticas.

Isso ocorre porque a deformação elástica do meio é perpendicular à direção de deslocamento da onda. A direção da rotação deformada é chamada de polarização desse tipo de onda. Geralmente, as ondas transversais ocorrem como um par de polarizações ortogonais.

Esses diferentes tipos de ondas podem ter velocidades diferentes na mesma frequência. Portanto, eles podem alcançar um observador em momentos diferentes. Um exemplo dessa situação ocorre em terremotos, onde as ondas de compressão aguda chegam primeiro e as ondas transversais oscilantes chegam segundos depois.

A velocidade de compressão das ondas em um fluido é determinada pela compressibilidade e densidade do meio.

Em sólidos, as ondas de compressão são análogas às encontradas nos fluidos, dependendo da compressibilidade, densidade e fatores adicionais do módulo de elasticidade transversal.

A velocidade das ondas rotacionais, que ocorrem apenas em sólidos, é determinada apenas pelo módulo de elasticidade transversal e pela densidade do módulo.

Referências

1. Velocidade do som em vários meios em massa. Hiper Física Obtido em hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. A velocidade do som. Obtido em mathpages.com.
3. O Manual Mestre de Acústica. (2001). Nova Iorque, Estados Unidos. McGraw-Hill. Obtido em wikipedia.com.
4. Velocidade do som na água a temperaturas. A caixa de ferramentas de engenharia. Obtido em engineeringtoolbox.com.
5. Velocidade do som no ar. Physicis de notas musicais. Obtido em phy.mtu.edu.
6. Efeitos atmosféricos na velocidade do som. (1979). Relatório técnico do Centro de Informações Técnicas de Defesa. Obtido em wikipedia.com.