Qual è la velocità del suono?
Nell'atmosfera terrestre, la velocità del suono è di 343 metri al secondo; o un chilometro a 2, 91 al secondo o un miglio a 4, 69 al secondo.
La velocità del suono in un gas ideale dipende solo dalla sua temperatura e composizione. La velocità ha una debole dipendenza dalla frequenza e dalla pressione nell'aria ordinaria, deviando un po 'dal comportamento ideale.
Qual è la velocità del suono?
Di solito, la velocità del suono si riferisce alla velocità con cui le onde sonore viaggiano attraverso l'aria. Tuttavia, la velocità del suono varia a seconda della sostanza. Ad esempio, il suono viaggia più lentamente nei gas, viaggia più velocemente nei liquidi e ancora più velocemente nei solidi.
Se la velocità del suono è di 343 metri al secondo in aria, significa che viaggia a 1.484 metri al secondo in acqua e a circa 5.120 metri al secondo in ferro. In un materiale eccezionalmente duro, ad esempio il diamante, il suono viaggia a 12.000 metri al secondo. Questa è la massima velocità con cui il suono può viaggiare in condizioni normali.
Le onde sonore nei solidi sono composte da onde di compressione, simili a gas e liquidi, e da un diverso tipo di onde chiamate onde rotazionali, presenti solo nei solidi. Le onde rotazionali nei solidi viaggiano di solito a velocità diverse.
La velocità delle onde di compressione nei solidi è determinata dalla compressibilità, dalla densità e dal modulo trasversale di elasticità del mezzo. La velocità delle onde rotazionali è determinata solo dalla densità e dal modulo di elasticità trasversale del modulo.
Nel fluido dinamico, la velocità del suono in un mezzo fluido, sia esso gas o liquido, viene utilizzata come misura relativa per la velocità di un oggetto che si muove attraverso il mezzo.
Il rapporto tra la velocità di un oggetto e la velocità della luce in un fluido è chiamato numero di marzo di un oggetto. Oggetti che si muovono più velocemente del 1 ° marzo sono indicati come oggetti che viaggiano a velocità supersoniche.
Concetti di base
La trasmissione del suono può essere illustrata utilizzando un modello costituito da una serie di sfere interconnesse da fili.
Nella vita reale, le sfere rappresentano le molecole e i fili rappresentano i collegamenti tra di loro. Il suono passa attraverso il modello comprimendo ed espandendo i fili, trasmettendo energia alle sfere vicine, che a loro volta trasmettono l'energia ai loro fili e così via.
La velocità del suono attraverso il modello dipende dalla rigidità dei fili e dalla massa delle sfere.
Finché lo spazio tra le sfere è costante, i fili più rigidi trasmettono energia più velocemente e le sfere con più massa trasmettono energia più lentamente. Effetti come scattering e reflection possono essere compresi anche con questo modello.
In qualsiasi materiale reale, la rigidità dei fili è chiamata modulo elastico e la massa corrisponde alla densità. Se tutte le altre cose sono uguali, il suono si muoverà più lentamente in materiali spugnosi e più veloce in materiali più rigidi.
Ad esempio, il suono viaggia 1, 59 volte più veloce attraverso il nichel che il bronzo perché la rigidità del nichel è maggiore alla stessa densità.
Allo stesso modo, il suono viaggia 1, 41 volte più velocemente in un gas di idrogeno leggero (protium) che in un gas di idrogeno pesante (deuterio), poiché il gas pesante ha proprietà simili ma ha il doppio della densità.
Allo stesso tempo, il suono di "tipo di compressione" viaggerà più velocemente nei solidi dei liquidi e viaggerà più velocemente nei liquidi che nei gas.
Questo effetto è dovuto al fatto che i solidi hanno una maggiore difficoltà di compressione rispetto ai liquidi, mentre i liquidi, d'altra parte, sono più difficili da comprimere dei gas.
Onde di compressione e onde rotazionali
In un gas o un liquido, il suono consiste di onde di compressione. Nei solidi, le onde si propagano attraverso due diversi tipi di onde. Un'onda longitudinale è associata a compressione e decompressione nella direzione di marcia; è lo stesso processo nei gas e nei liquidi, con un'analoga onda di compressione nei solidi.
Solo le onde di compressione esistono nei gas e nei liquidi. Un ulteriore tipo di onda, detta onda trasversale o onda rotazionale, si verifica solo nei solidi poiché solo i solidi possono resistere alle deformazioni elastiche.
Questo perché la deformazione elastica del mezzo è perpendicolare alla direzione di marcia dell'onda. La direzione della rotazione deformata è chiamata polarizzazione di questo tipo di onda. Generalmente, le onde trasversali si presentano come una coppia di polarizzazioni ortogonali.
Questi diversi tipi di onde possono avere velocità diverse alla stessa frequenza. Pertanto, possono raggiungere un osservatore in momenti diversi. Un esempio di questa situazione si verifica in terremoti, dove le onde di compressione acuta arrivano per prime e le onde trasversali oscillanti arrivano pochi secondi dopo.
La velocità di compressione delle onde in un fluido è determinata dalla compressibilità e dalla densità del mezzo.
Nei solidi, le onde di compressione sono analoghe a quelle riscontrate nei fluidi, a seconda della compressibilità, della densità e dei fattori aggiuntivi del modulo di elasticità trasversale.
La velocità delle onde rotazionali, che si verificano solo nei solidi, è determinata solo dal modulo trasversale di elasticità e dalla densità del modulo.
