A hangsebesség megegyezik azzal a sebességgel, amellyel a hosszanti hullámok terjednek egy adott közegben, egymást követő tömörítéseket és expanziókat eredményezve, amelyeket az agy hangként értelmez.

Így a hanghullám időegységenként bizonyos távolságot halad meg, amely attól a közeptől függ, amelyen keresztül halad. A hanghullámoknak valóban anyagi közegre van szükségük az elején említett kompressziók és expanziók megvalósításához. Ezért nem terjed a hang vákuumban.

1. ábra: A hanghatást megszakító szuperszonikus sík. forrás: pixbay

Mivel azonban a levegő óceánja alámerülve élünk, a hanghullámoknak olyan közege van, amelyben mozogni tudnak, és ez lehetővé teszi a hallást. A hangsebesség a levegőben 20ºC-on körülbelül 343 m / s (1087 ft / s), vagy ha körülbelül 1242 km / h.

Ahhoz, hogy megtudja a hangsebességet egy közegben, kissé meg kell ismernie annak tulajdonságait.

Mivel az anyagközeget felváltva úgy módosítják, hogy a hang terjedjen, jó tudni, mennyire könnyű vagy nehéz deformálni. A B tömöríthetõ modul kínálja ezeket az információkat.

Másrészt a közeg sűrűsége, amelyet ρ-nek jelölnek, szintén releváns lesz. Bármely közegnek van tehetetlensége, amely ellenáll a hanghullámok áthaladásának, ebben az esetben a sebességük alacsonyabb lesz.

Hogyan lehet kiszámítani a hang sebességét?

A közeg hangsebessége függ annak rugalmas tulajdonságaitól és a tehetetlenségétől. Legyen v a hangsebesség, általában igaz, hogy:

Hooke törvénye kimondja, hogy a közegben a deformáció arányos a rá gyakorolt ​​feszültséggel. Az arányosság állandója pontosan az anyag összenyomhatósági modulusa vagy térfogati modulusa, amelyet a következőképpen határozunk meg:

Feszültség: a DV térfogatváltozása az eredeti V _o értékkel osztva. Mivel ez a térfogatarány, hiányzik a mérete. A B előtti mínuszjel azt jelenti, hogy az erőkifejtéssel, amely a nyomás növekedése, a végső térfogat kevesebb, mint a kezdeti. Mindezek révén megkapjuk:

Egy gázban a térfogat-modulus arányos a P nyomással, az arányosság állandója y, az úgynevezett adiabatikus gázállandó. Ilyen módon:

A B egységei megegyeznek a nyomás egységeivel. Végül a sebesség a következő:

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