Descrizione e formule della velocità del suono, calcolo, fattori

IL Velocità del suono È equivalente alla velocità con cui le onde longitudinali sono propagate in un determinato mezzo, producendo compressioni ed espansioni successive, che il cervello interpreta come suono.

Pertanto, l'onda sonora viaggia una certa distanza per unità di tempo, che dipende dal mezzo attraverso il quale si muove. In effetti, le onde sonore richiedono un mezzo materiale per produrre compressioni e espansioni che menzioniamo all'inizio. Ecco perché il suono non è diffuso.

Figura 1. Aereo supersonico che rompe la barriera del suono. Fonte: Pixbay

Ma mentre viviamo sommersi in un ariatico, le onde sonore hanno un mezzo in cui muoversi e consentire l'audizione. La velocità del suono in aria e a 20 ºC è di 343 m/s (1087 piedi/s) approssimativamente, o circa 1242 km/h se preferito.

Per trovare la velocità del suono in un mezzo, devi sapere un po 'le proprietà di questo.

Poiché il mezzo materiale viene modificato alternativamente in modo che il suono possa diffondersi, è bene sapere quanto sia facile o difficile deformarlo. Il modulo di compressibilità B ci offre queste informazioni.

D'altra parte, la densità del mezzo, indicata come ρ Sarà anche rilevante. Qualsiasi mezzo ha un'inerzia che si traduce in resistenza al passaggio delle onde sonore, nel qual caso la velocità di loro sarà inferiore.

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Come calcolare la velocità del suono?

La velocità del suono in un mezzo dipende dalle sue proprietà elastiche e dall'inerzia che presenta. Essere v La velocità del suono, in generale è vero che:

La proprietà elastica è rappresentata con il modulo volumetrico B, mentre la proprietà inerziale è data dalla densità. Così:

Questa espressione è valida per il suono spostando un fluido simile all'aria, ad esempio.

Può servirti: magnitudo vettore

La legge di Hooke stabilisce che la deformazione nel mezzo è proporzionale allo sforzo applicato. La costante di proporzionalità è proprio il modulo di compressibilità o il modulo volumetrico del materiale, che è definito come:

B = - Deformazione/deformazione unitaria

La deformazione unitaria è la variazione del volume  Dv diviso tra il volume originale V_O. Come è il quoziente tra i volumi, manca di dimensioni. Il segno meno prima B significa che, dato lo sforzo fatto, che è un aumento della pressione, il volume finale è inferiore al iniziale. Con tutto ciò che otteniamo:

B = -ΔP/ (ΔV/v_O)

In un gas, il modulo volumetrico è proporzionale alla pressione P, essere la costante di proporzionalità γ, chiamato costante adiabatico a gas. Da questa parte:

B = γP

Le unità di B sono gli stessi di quelli della pressione. Finalmente la velocità rimane:

Velocità del suono in gas ideali e solidi estesi

Supponendo che il mezzo sia un gas ideale, la pressione può essere sostituita P Nell'espressione data per la velocità. Per i gas ideali è soddisfatto che:

Dove ρ È densità, come abbiamo detto prima, R È la costante del gas, M È la massa molecolare e T È la temperatura assoluta in Kelvin. In questo modo la velocità del suono in un gas ideale è stata:

figura 2. Quindi il suono si muove in un mezzo. Fonte: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (CDang) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

Ora vediamo cosa succede se il mezzo è un solido esteso. In questo caso, deve essere presa in considerazione un'altra proprietà del mezzo, che è la tua risposta agli sforzi di taglio o taglio:

Dove S È il modulo di taglio a cui è stato fatto riferimento. In tutto ciò assumiamo un mezzo isotropico, cioè uno le cui proprietà sono sempre le stesse.

Può servirti: dilatazione termica

Fattori su cui dipende la velocità del suono

Come abbiamo visto, la velocità del suono in un mezzo può essere determinata conoscendo le proprietà di detto mezzo. I materiali molto elastici consentono al suono che si diffonde più facilmente, mentre il più denso si oppongono.

La temperatura è un altro fattore importante. Dall'equazione per la velocità del suono in un gas ideale, si può vedere che a una temperatura più elevata T, velocità più alta. Come sempre, maggiore è la massa molecolare M, velocità più bassa.

Pertanto la velocità del suono non è strettamente una costante, poiché le condizioni atmosferiche possono introdurre variazioni di valore. Si prevede che a una maggiore altezza sul livello del mare, dove la temperatura diventa più bassa, la velocità del suono scende.

Si stima che nell'aria la velocità del suono aumenti di 0,6 m/s per 1º C che aumenta la temperatura. In acqua, aumenta 2.5 m/s per 1 º C altezza.

A parte i summenzionati fattori, elasticità, densità e temperatura, ci sono altri coinvolti nella diffusione di onde sonore secondo il mezzo, come ad esempio:: ad esempio:

-Umidità aerea

-Salinità dell'acqua

-Pressione

Suono e temperatura

Da quanto sopra segue che la temperatura è davvero un fattore determinante nella velocità del suono in un mezzo.

Man mano che la sostanza viene riscaldata, le sue molecole acquisiscono più velocemente e sono in grado di scontrarsi più frequentemente. E più si scontrano, maggiore è la velocità del suono all'interno.

I suoni che viaggiano attraverso l'atmosfera di solito interesse, dal momento che in questo siamo immersi e trascorriamo la maggior parte del tempo. In questo caso, la relazione tra la velocità del suono e della temperatura è la seguente:

331 m/s è la velocità del suono nell'aria a 0 º. A 20 º C, equivalente a 293 Kelvin, la velocità del suono è di 343 m/s, come menzionato all'inizio.

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Il numero di Mach

Il numero Mach è una non dimensione che è data dal quoziente tra la velocità di un oggetto, di solito un aereo e la velocità del suono. È molto comodo sapere quanto velocemente si muove un aereo rispetto al suono.

Essere M Il numero Mach, V la velocità dell'oggetto -il velivolo- e v_S La velocità del suono, abbiamo:

M = v/v_S

Ad esempio, se un aereo si sposta su Mach 1, la sua velocità è la stessa di quella del suono, se si sposta su Mach 2 è doppia e così via. Alcuni aerei militari sperimentali senza pilota hanno persino raggiunto Mach 20.

Sound of Sound in diversi media (aria, acciaio, acqua ...)

Quasi sempre il suono viaggia più velocemente nei solidi che nei liquidi, e a sua volta è più veloce nei liquidi che nei gas, sebbene ci siano alcune eccezioni. Il fattore determinante è l'elasticità dell'ambiente, che è maggiore come coesione tra atomi o molecole che lo compongono,.

Ad esempio, in acqua il suono si muove più velocemente che in aria. Questo viene immediatamente notato immergendo la testa nel mare. I suoni dei motori dei vasi distanti possono essere visti più facilmente rispetto a quando sono fuori dall'acqua.

Quindi la velocità del suono per diversi media, espressa in M/s:

• Aria (0 ºC): 331
• Aria (100 ºC): 386
• Acqua dolce (25 ºC): 1493
• Acqua di mare (25 ºC): 1533

Solido a temperatura ambiente

• Acciaio (carbonio 1018): 5920
• Sweet Iron: 5950
• Rame: 4660
• Copper arrotolato: 5010
• Argento: 3600
• Glass: 5930
• Polystero: 2350
• Teflon: 1400
• Porcellana: 5840

Riferimenti

1. Elcomer. Tabella di velocità per materiali predefiniti. Recuperato da: Elcomer.com.
2. Vaso. Velocità del suono. Recuperato da: NASA.Gov
3. Tippens, p. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. McGraw Hill
4. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fondamenti di fisica. 9^{n / a} Ed. Apprendimento del Cengage.
5. Siviglia University. Numero Mach. Recuperato da: Laplace.noi.È