Den lydens hastighed er ækvivalent med den hastighed, hvormed langsgående bølger udbreder sig i en given medium, producerer successive kompressioner og ekspansioner, hvor hjernen fortolker som lyd.

Lydbølgen bevæger sig således en bestemt afstand pr. Tidsenhed, der afhænger af det medium, gennem hvilket den bevæger sig. Faktisk kræver lydbølger et materielt medium til de komprimeringer og udvidelser, der er nævnt i begyndelsen, der skal finde sted. Derfor forplantes lyd ikke i et vakuum.

Figur 1. Supersonisk plan, der bryder lydbarrieren. kilde: pixbay

Men da vi lever nedsænket i et hav af luft, har lydbølger et medium til at bevæge sig, og det giver mulighed for hørelse. Lydhastigheden i luften ved 20 ° C er ca. 343 m / s (1087 ft / s) eller ca. 1242 km / t, hvis du foretrækker det.

For at finde lydhastigheden i et medium skal du vide lidt om dens egenskaber.

Da materialemediet skiftes skiftevis, så lyden kan forplantes, er det godt at vide, hvor let eller vanskeligt det er at deformere det. Kompressibilitetsmodulet B giver os denne information.

På den anden side vil mediets densitet, betegnet ρ, også være relevant. Ethvert medium har en inerti, der omsætter til modstand mod passage af lydbølger, i hvilket tilfælde deres hastighed vil være lavere.

Hvordan beregnes lydhastigheden?

Lydens hastighed i et medium afhænger af dets elastiske egenskaber og den inerti, det giver. Lad v være lydens hastighed, generelt er det sandt, at:

Hookes lov hedder, at deformationen i mediet er proportional med den belastning, der påføres det. Proportionalitetskonstanten er nøjagtigt kompressibilitetsmodul eller volumetrisk modul for materialet, der er defineret som:

Strain er lydstyrkeændringen DV divideret med den originale lydstyrke V _o. Da det er forholdet mellem volumener, mangler det dimensioner. Minustegnet før B betyder, at med den foretagne indsats, som er en stigning i trykket, er det endelige volumen mindre end det oprindelige. Med alt dette opnår vi:

I en gas er den volumetriske modul proportional med trykket P, idet proportionalitetskonstanten er y, kaldet den adiabatiske gasskonstant. På denne måde:

Enhederne i B er de samme som for tryk. Endelig er hastigheden som:

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