Lydens hastighet tilsvarer hastigheten som langsgående bølger forplanter seg i et gitt medium, og produserer suksessive kompresjoner og utvidelser, som hjernen tolker som lyd.

Dermed reiser lydbølgen en viss avstand per tidsenhet, som avhenger av mediet den beveger seg gjennom. Lydbølger krever faktisk et materialmedium for kompresjoner og utvidelser nevnt i begynnelsen av å finne sted. Det er grunnen til at lyd ikke forplanter seg i et vakuum.

Figur 1. Supersonisk plan som bryter lydbarrieren. kilde: pixbay

Men siden vi bor nedsenket i et hav av luft, har lydbølger et medium å bevege seg i, og som tillater hørsel. Lydhastigheten i luft ved 20 ºC er omtrent 343 m / s (1087 ft / s), eller omtrent 1242 km / t hvis du foretrekker det.

For å finne lydhastigheten i et medium, må du vite litt om dens egenskaper.

Siden materialmediet er vekselvis modifisert slik at lyd kan forplante seg, er det godt å vite hvor lett eller vanskelig det er å deformere det. Komprimerbarhetsmodulen B gir oss denne informasjonen.

På den annen side vil tettheten til mediet, betegnet som ρ, også være relevant. Ethvert medium har en treghet som oversetter motstand mot passering av lydbølger, i hvilket tilfelle hastigheten deres vil være lavere.

Hvordan beregne lydhastigheten?

Lydens hastighet i et medium avhenger av dets elastiske egenskaper og tregheten det gir. La v være lydens hastighet, generelt er det sant at:

Hookes lov sier at deformasjonen i mediet er proporsjonal med belastningen som påføres det. Proporsjonalitetskonstanten er nettopp komprimerbarhetsmodulen eller volumetrisk modul for materialet, som er definert som:

Strain er volumendringen DV dividert med det opprinnelige volumet V _o . Ettersom det er forholdet mellom volum, mangler det dimensjoner. Minustegnet før B betyr at med innsatsen som er gjort, som er en økning i trykket, er sluttvolumet mindre enn det første. Med alt dette får vi:

I en gass er den volumetriske modulen proporsjonal med trykket P, og proporsjonalitetskonstanten er y, kalt adiabatisk gasskonstant. På denne måten:

Enhetene til B er de samme som for trykk. Endelig er hastigheten 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