Velocidade do som: descrição e fórmulas, cálculo, fatores - Ciência - 2023

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o Velocidade do som É equivalente à velocidade com que as ondas longitudinais se propagam em um determinado meio, produzindo compressões e expansões sucessivas, que o cérebro interpreta como som.

Assim, a onda sonora percorre uma certa distância por unidade de tempo, que depende do meio pelo qual viaja. Na verdade, as ondas sonoras requerem um meio material para que ocorram as compressões e expansões que mencionamos no início. É por isso que o som não se propaga no vácuo.

Mas como vivemos submersos em um oceano de ar, as ondas sonoras têm um meio pelo qual se movem e que permite ouvir. A velocidade do som no ar e a 20 ° C é de cerca de 343 m / s (1087 pés / s), ou cerca de 1242 km / h se você preferir.

Para encontrar a velocidade do som em um meio, você precisa saber um pouco sobre suas propriedades.

Como o meio material é modificado alternadamente para que o som possa se propagar, é bom saber como é fácil ou difícil deformá-lo. O módulo de compressibilidade B nos oferece essa informação.

Por outro lado, a densidade do meio, denotada como ρ também será relevante. Qualquer meio possui uma inércia que se traduz em resistência à passagem das ondas sonoras, caso em que sua velocidade será menor.

Como calcular a velocidade do som?

A velocidade do som em um meio depende de suas propriedades elásticas e da inércia que apresenta. Estar v a velocidade do som, em geral é verdade que:

A lei de Hooke afirma que a deformação no meio é proporcional à tensão aplicada a ele. A constante de proporcionalidade é precisamente o módulo de compressibilidade ou módulo volumétrico do material, que é definido como:

B = - Stress / Strain

Strain é a mudança no volume DV dividido pelo volume original V_ou. Por ser a relação entre os volumes, carece de dimensões. O sinal de menos antes B significa que antes do esforço despendido, que é um aumento da pressão, o volume final é menor que o inicial. Com tudo isso obtemos:

B = -ΔP / (ΔV / V_ou)

Em um gás, o módulo volumétrico é proporcional à pressão P, sendo a constante de proporcionalidade γ, chamada de constante adiabática do gás. Desta maneira:

B = γP

Unidades de B são iguais aos de pressão. Finalmente, a velocidade é a seguinte:

Assumindo que o meio é um gás ideal, você pode substituir a pressão P na expressão dada para velocidade. Para gases ideais, é verdade que:

Agora vamos ver o que acontece se o meio for um sólido estendido. Nesse caso, outra propriedade do meio deve ser levada em consideração, que é sua resposta ao cisalhamento ou cisalhamento:

Fatores dos quais a velocidade do som depende

Como vimos, a velocidade do som em um meio pode ser determinada pelo conhecimento das propriedades desse meio. Os materiais altamente elásticos permitem que o som se espalhe mais facilmente, enquanto os materiais mais densos resistem.

A temperatura é outro fator importante. A partir da equação da velocidade do som em um gás ideal, pode-se ver que quanto maior a temperatura T, maior velocidade. Como sempre, quanto maior a massa molecular M, velocidade mais baixa.

Por esse motivo, a velocidade do som não é estritamente uma constante, pois as condições atmosféricas podem introduzir variações em seu valor. É de se esperar que em altitudes mais elevadas acima do nível do mar, onde a temperatura se torna cada vez mais baixa, a velocidade do som diminuirá.

Estima-se que, no ar, a velocidade do som aumente em 0,6 m / s para cada 1º C de temperatura. Na água, aumenta 2,5 m / s para cada 1 ° C de elevação.

Além dos fatores já mencionados -elasticidade, densidade e temperatura-, existem outros que intervêm na propagação das ondas sonoras em função do meio, tais como:

-Umidade do ar

-Salinidade da água

-Pressão

Som e temperatura

Pelo que foi dito acima, segue-se que a temperatura é realmente um fator determinante na velocidade do som em um meio.

Conforme a substância se aquece, suas moléculas se tornam mais rápidas e podem colidir com mais frequência. E quanto mais eles colidem, maior é a velocidade do som interno.

Os sons que viajam pela atmosfera costumam ser muito interessantes, já que estamos imersos nisso e passamos a maior parte do tempo. Neste caso, a relação entre a velocidade do som e a temperatura é a seguinte:

331 m / s é a velocidade do som no ar a 0ºC. A 20ºC, que equivale a 293 kelvin, a velocidade do som é 343 m / s, conforme mencionado no início.

Número Mach

O número Mach é uma quantidade adimensional dada pelo quociente entre a velocidade de um objeto, geralmente um avião, e a velocidade do som. É muito conveniente saber o quão rápido uma aeronave está se movendo em relação ao som.

Estar M o número Mach, V a velocidade do objeto -a aeronave-, ev_s a velocidade do som, temos:

M = V / v_s

Por exemplo, se uma aeronave está se movendo a Mach 1, sua velocidade é a mesma que a do som; se ela está se movendo a Mach 2, ela é duas vezes mais rápida e assim por diante. Algumas aeronaves militares experimentais não tripuladas chegaram a atingir Mach 20.

Velocidade do som em diferentes meios (ar, aço, água ...)

O som quase sempre viaja mais rápido em sólidos do que em líquidos e, por sua vez, é mais rápido em líquidos do que em gases, embora haja algumas exceções. O fator determinante é a elasticidade do meio, que é maior à medida que aumenta a coesão entre os átomos ou moléculas que o compõem.

Por exemplo, o som viaja mais rápido na água do que no ar. Isso é imediatamente aparente quando você mergulha sua cabeça no mar. Os sons dos motores dos barcos distantes são mais fáceis de ouvir do que quando fora d'água.

Abaixo está a velocidade do som para diferentes mídias, expressa em m / s:

Ar (0 ºC): 331
Ar (100 ºC): 386
Água doce (25 ºC): 1493
Água do mar (25 ºC): 1533

Sólido à temperatura ambiente

Aço (carbono 1018): 5920
Ferro doce: 5950
Cobre: 4660
Cobre enrolado: 5010
Prata: 3600
Vidro: 5930
Poliestireno: 2350
Teflon: 1400
Porcelana: 5840

Referências

Elcometer. Tabela de velocidade para materiais predefinidos. Recuperado de: elcometer.com.
PANELA. Velocidade do som. Recuperado de: nasa.gov
Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. 7ª Edição. Colina Mcgraw
Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9^{n / D} Ed. Cengage Learning.
Sevilla University. Número de Mach. Recuperado de: laplace.us.es