ध्वनि की गति उस गति के समतुल्य है जिसके साथ अनुदैर्ध्य तरंगें किसी दिए गए माध्यम में फैलती हैं, क्रमिक संकुचन और विस्तार का निर्माण करती हैं, जिसे मस्तिष्क ध्वनि के रूप में व्याख्या करता है।

इस प्रकार, ध्वनि तरंग प्रति यूनिट एक निश्चित दूरी की यात्रा करती है, जो उस माध्यम पर निर्भर करती है जिसके माध्यम से वह यात्रा करता है। दरअसल, ध्वनि तरंगों को जगह लेने के लिए शुरुआत में बताए गए कंप्रेशन और विस्तार के लिए एक भौतिक माध्यम की आवश्यकता होती है। इसीलिए ध्वनि निर्वात में नहीं फैलती है।

चित्र 1. ध्वनि अवरोध को तोड़ने वाला सुपरसोनिक विमान। स्रोत: पिक्सबे

लेकिन जब से हम हवा के एक समुद्र में डूबे रहते हैं, ध्वनि तरंगों में एक ऐसा माध्यम होता है जिसमें उन्हें चलना है और यह सुनने की अनुमति देता है। 20ºC पर हवा में ध्वनि की गति लगभग 343 m / s (1087 फीट / सेकंड), या यदि आप चाहें तो लगभग 1242 किमी / घंटा है।

एक माध्यम में ध्वनि की गति का पता लगाने के लिए, आपको इसके गुणों के बारे में थोड़ा जानना होगा।

चूंकि सामग्री माध्यम को वैकल्पिक रूप से संशोधित किया जाता है ताकि ध्वनि का प्रचार हो सके, यह जानना अच्छा है कि इसे विकृत करना कितना आसान या कठिन है। कम्प्रेसिबिलिटी मॉड्यूल बी हमें यह जानकारी प्रदान करता है।

दूसरी ओर, ρ के रूप में चिह्नित मध्यम का घनत्व भी प्रासंगिक होगा। किसी भी माध्यम में एक जड़ता होती है जो ध्वनि तरंगों के पारित होने के प्रतिरोध में बदल जाती है, इस स्थिति में उनकी गति कम होगी।

ध्वनि की गति की गणना कैसे करें?

एक माध्यम में ध्वनि की गति इसके लोचदार गुणों और इसे प्रस्तुत करने वाली जड़ता पर निर्भर करती है। चलो v ध्वनि की गति हो, सामान्य तौर पर यह सच है कि:

हुक के नियम में कहा गया है कि माध्यम में विकृति उस पर लागू तनाव के समानुपाती होती है। आनुपातिकता की निरंतरता सामग्री की संपीड़ितता मापांक या वॉल्यूमेट्रिक मापांक है, जिसे निम्न रूप में परिभाषित किया गया है:

तनाव मात्रा परिवर्तन है DV मूल मात्रा V _ओ द्वारा विभाजित है । चूंकि यह वॉल्यूम के बीच का अनुपात है, इसमें आयामों का अभाव है। बी से पहले माइनस साइन का मतलब है कि किए गए प्रयास के साथ, जो दबाव में वृद्धि है, अंतिम मात्रा प्रारंभिक एक से कम है। इस सब के साथ हम प्राप्त करते हैं:

एक गैस में, वॉल्यूमेट्रिक मापांक दाब P के समानुपाती होता है, आनुपातिकता का स्थिरांक ad, एडियाबेटिक गैस स्थिरांक कहलाता है। इस तरह:

B की इकाइयां दबाव के लिए समान हैं। अंत में गति इस प्रकार है:

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