Descrição da velocidade do som e fórmulas, cálculo, fatores

O Velocidade do som É equivalente à velocidade com que ondas longitudinais são propagadas 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 se move. De fato, ondas sonoras exigem um meio de material para produzir as compressões e expansões que mencionamos no início. É por isso que o som não está espalhado.

figura 1. Avião supersônico quebrando a barreira do som. Fonte: Pixbay

Mas enquanto vivemos submerso em um Ocean Air, as ondas sonoras têm um meio para se mover e permitir a audição. A velocidade do som no ar e a 20 ºC é de 343 m/s (1087 pés/s) aproximadamente, ou cerca de 1242 km/h se preferir.

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

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

Por outro lado, a densidade do meio, indicada como ρ Também será relevante. Qualquer meio tem uma inércia que se traduz em resistência à passagem de ondas sonoras; nesse caso, a velocidade delas será menor.

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Como calcular a velocidade do som?

A velocidade do som em um meio depende das propriedades elásticas dele e da inércia que apresenta. Ser v A velocidade do som, em geral, é verdade que:

A propriedade elástica é representada com o módulo volumétrico B, enquanto a propriedade inercial é dada por densidade. Desta forma:

Esta expressão é válida para o som movendo um fluido como o ar, por exemplo.

Pode atendê -lo: magnitude do vetor

A lei de Hooke estabelece que a deformação no meio é proporcional ao esforço aplicado. A constante de proporcionalidade é precisamente o módulo de compressibilidade ou o módulo volumétrico do material, que é definido como:

B = - deformação/deformação unitária

Deformação unitária é a mudança de volume  Dv dividido entre o volume original V_qualquer. Como é o quociente entre os volumes, ele não tem dimensões. O sinal menos antes B significa que, dado o esforço feito, o que é um aumento na pressão, o volume final é menor que o inicial. Com tudo isso, obtemos:

B = -δP/ (δV/v_qualquer)

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

B = γp

As unidades de B são os mesmos que os de pressão. Finalmente a velocidade permanece:

Velocidade de som em gases ideais e sólidos estendidos

Supondo que o meio seja um gás ideal, a pressão pode ser substituída P Na expressão dada para velocidade. Para gases ideais, é cumprido que:

Onde ρ É densidade, como dissemos antes, R É a constante de gás, M É a massa molecular e T É a temperatura absoluta em Kelvin. Dessa maneira, a velocidade do som em um gás ideal foi:

Figura 2. Assim o som se move em um meio. Fonte: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (CDANG) [CC BY-SA 3.0 (http: // criativecommons.Org/licenças/BY-SA/3.0/]]

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 aos esforços de cisalhamento ou corte:

Onde S É o módulo de corte ao qual a referência foi feita. Em tudo isso, assumimos um meio isotrópico, ou seja, cujas propriedades sempre.

Pode atendê -lo: dilatação térmica

Fatores dos quais a velocidade do som depende

Como vimos, a velocidade do som em um meio pode ser determinada pelo conhecimento das propriedades do referido meio. Materiais muito elásticos deixam o som se espalhar mais facilmente, enquanto o mais denso se opõe.

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

Portanto, a velocidade do som não é estritamente uma constante, pois as condições atmosféricas podem introduzir variações no valor. Espera -se que em maior altura acima do nível do mar, onde a temperatura diminui, a velocidade do som desce.

Estima -se que no ar, a velocidade do som aumenta em 0,6 m/s por 1º C que aumenta a temperatura. Na água, aumente 2.5 m/s por elevação de 1 º C.

Além dos fatores acima mencionados -elasticidade, densidade e temperatura -há outros envolvidos na propagação de ondas sonoras de acordo com o meio, como: por exemplo:

-Umidade do ar

-Salinidade da água

-Pressão

Som e temperatura

Do exposto, segue -se que a temperatura é realmente um fator determinante na velocidade do som em um meio.

À medida que a substância é aquecida, suas moléculas adquirem mais rapidamente e são capazes de colidir com mais frequência. E quanto mais eles colidem, maior a velocidade do som dentro.

Os sons que viajam pela atmosfera geralmente se interessam, pois está imerso e passamos a maior parte do tempo. Nesse 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 0 º C. A 20 º C, equivalente a 293 Kelvin, a velocidade do som é de 343 m/s, como mencionado no começo.

Pode servir a você: 13 exemplos da primeira lei de Newton na vida real

Número de Mach

O número mach é uma não -dimensões que são dadas 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 se move em relação ao som.

Ser M O número mach, V a velocidade do objeto -a aeronave -e v_s A velocidade do som, temos:

M = V/V_s

Por exemplo, se uma aeronave se mover para Mach 1, sua velocidade é a mesma do som, se se mover para Mach 2, é o dobro e assim por diante. Alguns aeronaves militares experimentais não tripuladas chegaram a Mach 20.

Som de som em diferentes mídias (ar, aço, água ...)

Quase sempre o som 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 ambiente, que é maior como coesão entre átomos ou moléculas que compensam,.

Por exemplo, na água, o som se move mais rápido do que no ar. Isso é notado imediatamente submergindo a cabeça no mar. Os sons dos motores dos vasos distantes podem ser vistos mais facilmente do que quando estão fora da água.

Então a velocidade do som para mídia diferente, 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

1. Elcomer. Tabela de velocidade para materiais predefinidos. Recuperado de: elcomer.com.
2. PANELA. Velocidade do som. Recuperado de: NASA.Gov
3. Tiptens, p. 2011. Física: conceitos e aplicações. 7ª edição. McGraw Hill
4. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentos da Física. 9^{n / D} Ed. Cengage Learning.
5. Universidade Sevilla. Número Mach. Recuperado de: Laplace.nós.é