Velocitat del so

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca

La velocitat del so és la velocitat de propagació de les ones de pressió longitudinals que constitueixen el so. A l'aire de l'atmosfera terrestre la velocitat del so és d'uns 340 m/s,[1] però depèn de la temperatura i la pressió entre d'altres variables. Aquesta velocitat varia depenent del medi a través del qual viatgen les ones sonores. A més de l'interès de l'estudi del propi so, la seva propagació en un medi pot ser útil per a estudiar algunes propietats del medi de transmissió. La velocitat del so no depèn del to o longitud d'ona, però si de la seva atenuació.

Història[modifica | modifica el codi]

La velocitat del so va ser calculada amb precisió per primer cop pel sacerdot britànic William Derham, rector d'Upminster, el qual va calcular va millorar les estimacions de Newton. Va realitzar un experiment emprant un telescopi per calcular per triangulació el temps que tardava un so (en aquest cas el d'un tret) a recórrer una distància coneguda.[2]

Càlcul[modifica | modifica el codi]

El terme s'aplica habitualment a la velocitat del so en l'aire, la qual és superada pels míssils i per diversos avions a reacció, entre d'altres. En aquest cas les propietats físiques de l'aire, la seva pressió i humitat per exemple, són factors que afecten la velocitat. Una velocitat aproximada (en m/s) pot ser calculada mitjançant la fórmula empírica següent:

c = (331{,}5 + 0{,}6 \cdot \vartheta) \ \mathrm{m/s}

on \vartheta és la temperatura en graus Celsius;

\vartheta=T-273{,}15\,\mathrm{K}.

Una equació més exacta, referida normalment com velocitat adiabàtica del so, ve donada per la fórmula que segueix:

c = \sqrt \frac {\kappa \cdot R \cdot T} {m}

on R és la constant dels gasos, m és el pes molecular mitjà del medi per on es propaga el so (R/m = 287 J/kg·K per a l'aire), κ és la raó de les calors específiques (κ=cp/cv i és igual a 1,4 per a l'aire), i T és la temperatura absoluta en kèlvins. En una atmosfera estàndard es considera que T és 293,15 K, donant un valor de 343 m/s o 1.235 quilòmetres/hora. Aquesta fórmula suposa que la transmissió del so es realitza sense pèrdues d'energia en el medi, aproximació molt propera a la realitat.

En sòlids, la velocitat del so ve donada per

c = \sqrt{\frac{E}{\rho}}

on E és el mòdul de Young i ρ és la densitat. D'aquesta manera es pot calcular per exemple la velocitat del so en l'acer, que és aproximadament de 5.100 m/s.

La velocitat del so en l'aigua és d'interès per a realitzar mapes del fons de l'oceà. En aigua salada, el so viatja aproximadament a 1.500 m/s i en aigua dolça a 1.435 m/s. Aquestes velocitats varien segons la pressió, profunditat, temperatura, salinitat i altres factors.

Medis de propagació[modifica | modifica el codi]

La velocitat del so varia depenent del medi a través del qual viatgen les ones sonores.

La velocitat del so varia també davant dels canvis de temperatura del medi. Un augment de la temperatura es tradueix en un augment de la freqüència amb la que es produeixen les interaccions entre les partícules que transporten la vibració, i l'augment d'activitat fa augmentar la velocitat.

Per exemple, sobre una superfície nevada el so és capaç de desplaçar-se travessant grans distàncies. Això és així gràcies a les refraccions produïdes sota la neu, que no és un medi uniforme. Cada capa de neu té una temperatura diferent. Les més profundes, on el sol no arriba, estan més fredes que les superficials. En aquestes capes més fredes pròximes a terra, el so es propaga amb menor velocitat.

En general, la velocitat del so és major en els sòlids que en els líquids i en els líquids és major que en els gasos. Això és degut al major grau de cohesió que tenen els enllaços atòmics o moleculars conforme més sòlida és la matèria.

  • La velocitat del so en l'aire (a una temperatura de 20 °C) és de 344,2 m/s. Si volem obtenir l'equivalència en kilòmetres per hora la podem determinar mitjançant la següent conversió física:

Velocitat del so en l'aire [km/hr) = (343m /1s)*(3600s/1hr)*(1km/1000m) Velocitat del so en l'aire = 1.234,8 km/h.

  • En l'aire, a 0 °C, el so viatja a una velocitat de 331 m/s i si puja 1 °C la temperatura, la velocitat del so augmenta en 0,6 m/s.
  • En l'aigua (a 25 °C) és de 1.493 m/s.
  • En la fusta és de 3.900 m/s.
  • En el formigó és de 4.000 m/s.
  • En l'acer és de 5.100 m/s.
  • En l'alumini és de 6.400 m/s.

Degradats[modifica | modifica el codi]

Quan el so es propaga de manera uniforme en totes les direccions en tres dimensions, la intensitat disminueix en proporció inversa al quadrat de la distància. No obstant això, a l'oceà hi ha una capa anomenada "canal de so profund" o el canal SOFAR que pot confinar les ones de so a una profunditat determinada.

Fins al moment, la velocitat del so és menor que en les capes de dalt i avall. Així com les ones de llum es refracten cap a una regió de major índex, les ones sonores es refracten cap a una regió on es redueix la seva velocitat. El resultat és que el so es limita a la capa, tant la llum manera pot ser confinat en un full de vidre o fibra òptica. Així, el so es limita essencialment en dues dimensions. En dues dimensions la intensitat disminueix en proporció a només l'invers de la distància. Això permet que les ones de viatjar molt més lluny abans de ser impossible de detectar febles.

Un efecte similar es produeix en l'atmosfera. Projecte Mogul utilitzat amb èxit aquest cap de detectar una explosió nuclear a una distància considerable.

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. Closa, Daniel. «Singularitats al voltant de la barrera del so». Ara Ciència. [Consulta: 3 gener 2015].
  2. Fox, Tony. Essex Journal. Essex Arch & Hist Soc, 2003, p. 12–16. 

Vegeu també[modifica | modifica el codi]