Care este valoarea vitezei sunetului

Ce este sunetul

Sunetul este o perturbare de presiune care se deplasează printr-un mediu sub formă de unde mecanice. Mai exact, sunetul este o formă de energie mecanică produsă de vibrația corpurilor, care se propagă sub formă de unde mecanice longitudinale prin diferite medii de propagare, precum gazele (de exemplu, aerul), lichidele (apa) sau solidele (os).

Orice sunete pe care le poți auzi apar deoarece energia mecanică produsă de o sursă (cum ar fi un difuzor) este transferată către urechea umană prin mișcarea particulelor atomice. Atunci când auzim ceva, de fapt percepem vibrațiile din aer, care ajung la ureche ca senzații auditive, ce se situează de obicei în intervalul de frecvență 20 Hz-20 kHz.

Vibrațiile pătrund în urechea externă și determină timpanul să vibreze. De timpan sunt atașate trei oscioare foarte mici – ciocanul, nicovala și scărița – care, la rândul lor, vibrează. Aceste oase produc vibrații mai puternice în urechea internă, amplificând practic vibrațiile primite înainte ca acestea să fie preluate de nervul auditiv, potrivit Science World. Știai că zgomotul puternic pe care îl produci când pocnești un bici apare deoarece vârful acestuia depășește viteza sunetului?

Cum se propagă sunetul

Când o forță acționează asupra unui atom, acesta se deplasează din poziția sa de repaus sau de echilibru și exercită, la rândul său, o forță asupra particulelor vecine. Aceste particule adiacente sunt deplasate din poziția lor de repaus, iar procesul continuă în întregul mediu. Transferul de energie de la o particulă la alta este modul în care sunetul se propagă printr-un mediu.

Termenul de „undă mecanică” descrie distribuția energiei într-un mediu prin transferul acesteia de la o particulă la alta. Undele sonore sau undele de presiune se propagă în toate direcțiile, pornind de la sursă. De exemplu, când o coardă de chitară este ciupită, ea începe imediat să vibreze. Această mișcare determină comprimarea și rarefierea aerului din jur, generând unde sonore care se deplasează până la urechea umană, unde sunt transformate în impulsuri electrice pe care creierul le interpretează ca sunete.

Este important de reținut că sunetul nu se poate propaga în vid. În absența unui mediu material, nu există particule care să transmită vibrațiile, motiv pentru care spațiul cosmic este complet tăcut. Vorbirea, la fel ca auzul, implică vibrații. Pentru a vorbi, punem aerul în mișcare peste corzile vocale, ceea ce le face să vibreze. Modificăm sunetele produse prin întinderea acestor corzi vocale. Când corzile vocale sunt întinse, producem sunete înalte, iar când sunt mai relaxate, producem sunete mai joase, ceea ce este cunoscut sub numele de înălțimea sunetului.

Ce este o undă de sunet

O undă poate fi definită ca o oscilație sau ca o perturbație care transportă energie dintr-un loc în altul. Undele se deplasează și o fac în moduri foarte specifice. De exemplu, undele care se suprapun se pot combina pentru a crea o undă nouă și mai puternică, fenomen denumit interferență constructivă. De asemenea, când două unde se anulează reciproc, avem de-a face cu o interferență distructivă. În linii mari, undele sunt fie electromagnetice, fie mecanice, notează izotope.com.

O undă electromagnetică nu are nevoie de un mediu pentru a se propaga, ci poate călători prin vidul spațiului și poate fi observată chiar și cu ochiul liber. Lumina stelelor este un exemplu bun în acest sens. Aceasta parcurge distanțe de ani-lumină prin spațiul gol și ajunge la ochii noștri, indiferent de atmosferă. Undele radio se comportă în mod similar din acest punct de vedere.

În schimb, o undă mecanică are nevoie de un mediu pentru a putea fi percepută. Spre exemplu, nu poți simți o undă seismică produsă de un cutremur fără existența solului solid care să transmită vibrațiile. Similar funcționează sunetul: lovești o tobă cu o baghetă, iar aceasta începe să vibreze. Când toba vibrează, ea împinge și trage moleculele de aer din jur, creând o undă de variații de presiune. Aceste fluctuații comprimă și decomprimă aerul, propagându-se spre exterior asemenea undelor formate pe suprafața unui lac. Rezultatul? O undă sonoră, descrisă în mod clasic.

Din ce sunt alcătuite undele sonore

Undele sonore sunt formate din compresii și rarefieri. Compresia apare atunci când particulele sunt împinse sau presate una către alta sau, cu alte cuvinte, când asupra moleculelor se exercită forța maximă. În schimb, rarefierea este opusul acestui fenomen și apare când particulele au mai mult spațiu și se pot depărta sau când forța este minimă. Sunetul este o formă de energie cinetică și, pe măsură ce particulele sunt deplasate din poziția lor de echilibru, ele exercită o forță asupra particulelor vecine și transmit energia cinetică.

În acest fel, energia sonoră se propagă dinspre sursă către exterior. Trebuie să știi că, fără un mediu de propagare, nu există particule care să transporte undele sonore. Termenul „particulă” se referă la o cantitate foarte mică de materie capabilă să transmită energie, cum ar fi un atom sau o moleculă. În spațiu, unde nu există atmosferă, sunt prea puține particule pentru a transfera energia sonoră.

Un exemplu simplu este difuzorul unui sistem audio. Pentru a produce sunet, o suprafață subțire, denumită diafragmă, poate vibra cu ajutorul energiei electromagnetice, iar când aceasta se deplasează spre dreapta, ea comprimă moleculele de aer din acea direcție și creează spațiu pentru moleculele din stânga, potrivit acousticalsurfaces.com. Moleculele din dreapta sunt comprimate, iar cele din stânga rarefiate. Când diafragma se deplasează spre stânga, procesul se inversează. Alternanțele de compresii și rarefieri formează o undă, iar o compresie și o rarefiere formează o lungime de undă.

Câte tipuri de unde sonore există

Pe măsură ce diafragma vibrează înainte și înapoi, undele sonore rezultate se deplasează în aceeași direcție (stânga-dreapta). Undele care se propagă în aceeași direcție cu mișcarea particulelor se numesc unde longitudinale și, pe de-o parte, sunt cele mai ușor de produs, iar pe de altă parte au cea mai mare viteză.

În același timp, undele care se deplasează în plan perpendicular pe direcția de mișcare a particulelor se numesc unde transversale sau unde de forfecare. Comparativ cu undele longitudinale, acestea sunt mai lente și pot apărea doar în medii de propagare solide. Un exemplu simplu în acest sens este un arc spiral. Dacă împingi și tragi rapid de un capăt al acestuia, creezi unde longitudinale, în timp ce, dacă miști capătul în sus și în jos, creezi unde transversale.

Un alt tip este unda de suprafață, care se propagă la suprafața unui material, iar particulele se deplasează pe traiectorii eliptice. Acestea sunt puțin mai lente spre deosebire de undele de forfecare și mai greu de generat. În sfârșit, undele de placă sunt cele care apar în materiale foarte subțiri, iar particulele lor se deplasează tot pe traiectorii eliptice.

Cum se calculează viteza sunetului

Viteza sunetului, adesea denumită și viteza de propagare a sunetului, este definită ca fiind distanța parcursă de unda sonoră într-o unitate de timp. Aceasta are aceeași unitate de măsură ca viteza în general, și anume metri pe secundă (m/s). Desigur, sunetul se propagă cu viteze diferite în materiale diferite, ceea ce înseamnă că viteza lor variază de la un mediu la altul. Acest lucru se datorează faptului că masa particulelor atomice și constantele elastice diferă de la un material la altul.

Masa particulelor este legată de densitatea materialului, iar constanta elastică este legată de proprietățile elastice ale acestuia. Undele sonore se deplasează astfel încât există regiuni alternative de comprimare și rarefiere. Știm că viteza (v) a unui obiect este dată de distanța (d) împărțită la timp (t), dată de formula următoare:

v = d / t​

Aceeași formulă este utilizată pentru a calcula viteza undelor sonore. În cazul undelor sonore, distanța este înlocuită de lungimea de undă, deoarece ambele reprezintă o mărime de lungime și au aceeași unitate de măsură, metrul (m). Lungimea de undă a unei unde sonore este definită ca distanța dintre două comprimări succesive sau două rarefieri succesive. Lungimea de undă este notată cu λ, iar timpul cu t. Prin urmare, formula pentru viteza sunetului este:

v = λ / t

Această formulă se poate rescrie astfel:

v = λ × 1 / t

În acest caz, 1/t se numește frecvență și se notează cu f. Frecvența sunetului este definită ca numărul de oscilații într-o unitate de timp și este egală cu inversul perioadei. De asemenea, unitatea sa de măsură este s⁻¹ sau Hertz (Hz). Prin urmare, viteza sunetului în funcție de frecvență este:

v = λ × f

Unitatea de măsură pentru viteza sunetului este m/s.

Ce valoare are viteza sunetului

Viteza sunetului în aer uscat, la o temperatură de 0°C, este de 331,2 m/s (1.192 km/h sau 740,7 mph). La o temperatură de 20°C, viteza sunetului este de aproximativ 343,2 m/s (1.235 km/h sau 767 mph). La această viteză, sunetul se deplasează aproximativ 1,6 km în aproximativ 5 secunde, conform geeksforgeeks.org.

Viteza unei unde sonore diferă atunci când se deplasează prin diferite medii. Astfel, când o undă trece printr-un mediu mai dens, aceasta se propagă mai rapid decât într-un mediu mai puțin dens. Astfel, sunetul se deplasează mai repede prin apă decât prin aer și mai repede prin os decât prin apă.

De exemplu, așa cum am precizat anterior, sunetul se propagă în aer cu o viteză de circa 343 m/s. În schimb, în apă, valoarea vitezei sunetului este de aproximativ 1.482 m/s, adică de vreo 4,3 ori mai rapid decât în aer, iar în oțel cu aproximativ 4.512 m/s, o valoare de vreo 13 ori mai mare decât cea în aer.

Într-un material foarte rigid, precum diamantul, viteza sunetului ajunge la aproximativ 12.000 m/s, adică de circa 35 de ori mai mare decât în aer. De altfel, aceasta este aproape limita superioară la care sunetul se poate deplasa în condiții obișnuite. Iată ce valoare are viteza sunetului în alte medii!

Viteza sunetului în alte medii

Viteza sunetului în solide. Sunetul se propagă cel mai rapid în solide deoarece moleculele sunt foarte apropiate, ceea ce permite vibrațiilor să se transmită rapid. În solide, sunetul poate atinge o viteză de aproximativ 6.000 m/s, iar în oțel în jur de 5.100 m/s.

Viteza sunetului în lichide. Densitatea unui lichid este mai mare decât cea a gazelor, ceea ce înseamnă că distanțele dintre molecule sunt mai mari decât în solide, dar mai mici decât în gaze. Din acest motiv, viteza sunetului în lichide are valori situate între cele din solide și gaze.

Viteza sunetului în gaze. Viteza sunetului în orice mediu depinde atât de proprietățile sale elastice, cât și de densitate. În gaze, aceasta este influențată de temperatură și de masa moleculară, în timp ce în lichide și solide joacă un rol important atât densitatea, cât și elasticitatea.

Viteza sunetului în apă. Sunetul se propagă mai repede în apă decât în aer. În apă, viteza sunetului este de aproximativ 1.482 m/s. În cazul apei purificate, viteza sunetului variază între 1.450 și 1.498 m/s, iar în apa de mare este de circa 1.531 m/s, la temperaturi cuprinse între 20°C și 25°C.

Viteza sunetului în vid. Sunetul nu se poate propaga în vid, deoarece nu există particule care să transmită vibrațiile. Prin urmare, viteza sunetului în vid este de 0 m/s.

Vezi şi ce este boom-ul sonic şi cum se produce!

Abonați-vă la ȘTIRILE ZILEI pentru a fi la curent cu cele mai noi informații.

ABONEAZĂ-TE