robot de la enciclopedia para niños

Velocidad del sonido para niños

Enciclopedia para niños
Archivo:FA-18 Hornet breaking sound barrier (7 July 1999) - filtered
Un F18 de la Armada de los Estados Unidos volando a velocidad transónica.

La velocidad del sonido es la rapidez con la que las ondas de sonido viajan a través de un material, como el aire, el agua o los metales. Es como la velocidad a la que se mueve una ola en ese material. En el aire, a una temperatura de 20 °C, con un 50% de humedad y al nivel del mar, el sonido viaja a unos 343,14 metros por segundo (lo que equivale a 1.235,52 km/h).

La velocidad del sonido cambia según el material por el que se mueve. Por eso, usamos el número Mach 1 para representar la velocidad del sonido en un lugar específico. Si un objeto se mueve a Mach 2, significa que va al doble de la velocidad del sonido, sin importar la presión o la temperatura del aire.

La velocidad a la que se propaga una onda sonora depende de las características del material, no de la fuerza que la produce. Estudiar cómo se mueve el sonido en un material nos ayuda a entender algunas de sus propiedades.

En el aire, la velocidad del sonido depende un poco de la frecuencia y la presión, pero sobre todo de la temperatura. Generalmente, el sonido viaja más lento en los gases, más rápido en los líquidos y mucho más rápido en los sólidos. Por ejemplo, en el aire va a 343 m/s, en el agua a 1481 m/s (casi 4,3 veces más rápido) y en el hierro a 5120 m/s (casi 15 veces más rápido). En materiales muy duros como el diamante, el sonido puede alcanzar los 12.000 m/s.

En dinámica de fluidos, la velocidad del sonido se usa para comparar qué tan rápido se mueve un objeto en un medio. La relación entre la velocidad de un objeto y la velocidad del sonido se llama número de Mach. Los objetos que se mueven más rápido que el sonido (más de Mach 1) se dice que viajan a velocidades supersónicas.

Historia de la Medición de la Velocidad del Sonido

Primeros Cálculos y Correcciones

Isaac Newton, en su libro Principia de 1687, calculó la velocidad del sonido en el aire en 298 m/s. Este cálculo era un poco bajo (aproximadamente un 15% menos) porque no consideró cómo la temperatura cambia rápidamente en una onda de sonido. Este error fue corregido más tarde por Laplace.

Intentos de Medición en el Siglo XVII

Durante el siglo XVII, hubo varios intentos de medir la velocidad del sonido con precisión. Marin Mersenne en 1630 obtuvo 1380 pies parisinos por segundo, Pierre Gassendi en 1635 obtuvo 1473 pies parisinos por segundo, y Robert Boyle 1125 pies parisinos por segundo.

En 1709, el reverendo William Derham hizo una medición más precisa, obteniendo 1072 pies parisinos por segundo. Un pie parisino medía 325 mm, un poco más largo que el pie internacional actual (304,8 mm).

Cómo Midió Derham la Velocidad del Sonido

Derham usó un telescopio desde la torre de la iglesia de St. Laurence, Upminster. Observaba el destello de un disparo de escopeta a lo lejos y luego medía el tiempo hasta que escuchaba el sonido usando un péndulo. Hizo mediciones desde varios lugares, como la iglesia de North Ockendon. Como conocía la distancia por triangulación, pudo calcular la velocidad a la que viajaba el sonido.

Conceptos Básicos de la Propagación del Sonido

Cómo Viaja el Sonido a Través de los Materiales

Imagina que un material está hecho de pequeñas esferas (moléculas) unidas por resortes (enlaces químicos). Cuando el sonido pasa, comprime y expande estos resortes, transmitiendo la energía a las esferas vecinas. Así, la energía acústica se mueve de una esfera a otra.

La velocidad del sonido en este modelo depende de qué tan rígidos sean los resortes y de la masa de las esferas. Si los resortes son más rígidos, la energía se transmite más rápido. Si las esferas son más pesadas, la energía se transmite más lento.

En un material real, la "rigidez de los resortes" se llama "módulo elástico", y la "masa de las esferas" es la densidad del material. El sonido viajará más lento en materiales blandos y más rápido en los más rígidos.

Por ejemplo, el sonido viaja 1,59 veces más rápido en el níquel que en el bronce porque el níquel es más rígido, aunque tengan una densidad similar. También, el sonido viaja 1,41 veces más rápido en el gas hidrógeno ligero que en el gas hidrógeno pesado, porque el hidrógeno pesado tiene el doble de densidad.

Ondas de Compresión y Ondas de Cizalladura

Archivo:Onde compression impulsion 1d 30 petit
Una onda de presión o compresión (onda longitudinal) que se mueve en una dirección. Este es el único tipo de onda sonora que viaja en líquidos y gases. También puede viajar en sólidos.
Archivo:Onde cisaillement impulsion 1d 30 petit
Una onda transversal que solo viaja en sólidos. Requiere un movimiento lateral que se apoya en la elasticidad del sólido.

En un gas o un líquido, el sonido se propaga como ondas de compresión. Esto significa que las partículas del material se aprietan y se separan en la misma dirección en que viaja el sonido.

En los sólidos, el sonido puede propagarse de dos maneras:

  • Ondas de compresión (longitudinales): Son como las que ocurren en gases y líquidos, donde las partículas se comprimen y se expanden en la dirección del viaje.
  • Ondas de cizalladura (transversales): Estas ondas solo ocurren en los sólidos. Las partículas del material se mueven de lado a lado, perpendicularmente a la dirección en que viaja la onda. Es como si el material se "cortara" o "cizallara".

Estas ondas pueden viajar a diferentes velocidades. Por ejemplo, en un terremoto, las ondas de compresión (llamadas ondas P) llegan primero, y luego las ondas de cizalladura (ondas S) que causan un movimiento más oscilante.

La velocidad de una onda de compresión en un fluido depende de qué tan fácil sea comprimir el material (su compresibilidad) y de su densidad. En los sólidos, las ondas de compresión también dependen de la compresibilidad y la densidad, además de un factor llamado módulo de cizalladura. Las ondas de cizalladura, que solo existen en sólidos, dependen solo del módulo de cizalladura y la densidad del material.

Medios de Propagación del Sonido

La velocidad del sonido cambia según el material por el que viaja.

La velocidad del sonido también cambia con la temperatura del material. Si la temperatura aumenta, las partículas se mueven más rápido y chocan con más frecuencia, lo que hace que la vibración se transmita más rápido y, por lo tanto, la velocidad del sonido aumenta.

Por ejemplo, sobre la nieve, el sonido puede viajar muy lejos. Esto ocurre porque la nieve no es uniforme y tiene capas con diferentes temperaturas. Las capas más frías cerca del suelo hacen que el sonido se propague más lento, y esto puede hacer que el sonido se "doble" o se refracte, permitiéndole viajar más lejos.

En general, el sonido es más rápido en los sólidos que en los líquidos, y más rápido en los líquidos que en los gases. Esto se debe a que las partículas están más unidas en los sólidos, lo que facilita la transmisión de las vibraciones.

Aquí tienes algunas velocidades del sonido en diferentes materiales:

  • En el aire (a 20 °C): 343,2 m/s (1235,5 km/h).
  • En el aire (a 0 °C): 331 m/s (por cada grado Celsius que sube la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s).
  • En el agua (a 25 °C): 1593 m/s.
  • En los tejidos del cuerpo: 1540 m/s.
  • En la madera: 3700 m/s.
  • En el hormigón: 4000 m/s.
  • En el acero: 6100 m/s.
  • En el aluminio: 6400 m/s.
  • En el cadmio: 12400 m/s.

Cálculo de la Velocidad del Sonido

La velocidad del sonido se representa con la letra c, que viene del latín celeritas (velocidad).

Para los líquidos y gases, la velocidad del sonido c se puede calcular con una fórmula que considera la rigidez del material y su densidad. Cuanto más rígido sea el material, más rápido viajará el sonido. Cuanto más denso sea, más lento.

En los gases ideales, la velocidad del sonido solo depende de su temperatura y composición. A una temperatura constante, la presión del gas no afecta la velocidad del sonido, porque los cambios en la presión y la densidad se compensan entre sí.

En un material que no dispersa el sonido (como el aire), la velocidad del sonido es la misma para todas las frecuencias. Sin embargo, en un material dispersivo, la velocidad del sonido puede cambiar según la frecuencia.

Dependencia de las Propiedades del Material

La velocidad del sonido cambia según las propiedades del material.

  • En los sólidos, la velocidad de las ondas de cizalladura depende de cómo se deforma el material bajo presión y de su densidad. Las ondas de compresión en sólidos también dependen de la compresibilidad.
  • En los líquidos y gases, solo la compresibilidad y la densidad son importantes, ya que estos no transmiten esfuerzos de cizalladura.

En los gases, el sonido viaja más rápido en gases ligeros como el helio que en gases más pesados como el xenón. Para un gas específico, si su composición molecular es fija, la velocidad del sonido solo depende de su temperatura.

La humedad en el aire también tiene un pequeño efecto (aumenta la velocidad entre un 0,1% y un 0,6%) porque las moléculas de oxígeno y nitrógeno son reemplazadas por moléculas de agua más ligeras.

Variación con la Altitud y la Acústica Atmosférica

Archivo:Comparison US standard atmosphere 1962
La densidad y la presión disminuyen con la altitud, pero la temperatura (rojo) no lo hace de forma constante. La velocidad del sonido (azul) depende principalmente de la temperatura.

En la atmósfera terrestre, el factor más importante que afecta la velocidad del sonido es la temperatura. Como la temperatura (y por lo tanto la velocidad del sonido) disminuye a medida que subimos en altitud hasta unos 11 km, el sonido se "dobla" o refracta hacia arriba, alejándose de las personas en el suelo. Esto crea una "sombra acústica" donde el sonido no se escucha bien.

Sin embargo, por encima de los 11 km, en la estratosfera (a partir de unos 20 km), la velocidad del sonido aumenta con la altura. Esto se debe a que la temperatura sube en esa región por el calentamiento en la capa de ozono. También hay otra región donde la velocidad del sonido aumenta a altitudes muy altas, en la termosfera (por encima de los 90 km).

Velocidad del Sonido en Gases

Para calcular la velocidad del sonido en gases, se usa la siguiente fórmula:

v = \sqrt{\frac {\gamma R T}{M}}
Símbolo Nombre Unidad
v Velocidad del sonido m/s
T Temperatura K (Kelvin)
R Constante universal de los gases J/(kg K)
M Masa molar del gas kg/mol
\gamma Coeficiente de dilatación adiabática Sin unidad

Para el aire a 20 °C, los valores son:

  • \gamma = 1,4
  • R = 8,314 J/(mol·K)
  • T = 293,15 K (20 °C)
  • M = 0,029 kg/mol

También se puede usar esta fórmula, que relaciona la presión y la densidad:

v = \sqrt{\frac{\gamma P}{\rho}}
Símbolo Nombre Unidad
v Velocidad del sonido m/s
P Presión del gas Pa (Pascal)
\rho Densidad del medio kg/m3
\gamma Coeficiente de dilatación adiabática Sin unidad

Velocidad del Sonido en Sólidos

En los sólidos, la velocidad del sonido se calcula con esta fórmula:

v_s = \sqrt{\frac{E}{\rho}}
Símbolo Nombre Unidad
v Velocidad del sonido en sólidos m/s
E Módulo de Young (una medida de la rigidez) Pa (Pascal)
\rho Densidad kg/m3

Por ejemplo, la velocidad del sonido en el acero es de aproximadamente 5148 m/s.

Velocidad del Sonido en Líquidos

La velocidad del sonido en el agua es importante para hacer mapas del fondo del océano. En agua salada, el sonido viaja a unos 1500 m/s, y en agua dulce a 1435 m/s. Estas velocidades cambian principalmente con la presión, la temperatura y la salinidad del agua.

v = \sqrt{\frac{K}{\rho}}
Símbolo Nombre Unidad
v Velocidad del sonido en líquidos m/s
K Módulo de compresibilidad (qué tan fácil es comprimir el líquido) Pa (Pascal)
\rho Densidad kg/m3

Galería de imágenes

  • Onde compression impulsion 1d 30 petit

    Una onda de presión o compresión (onda longitudinal) que se mueve en una dirección. Este es el único tipo de onda sonora que viaja en líquidos y gases. También puede viajar en sólidos.

  • Onde cisaillement impulsion 1d 30 petit

    Una onda transversal que solo viaja en sólidos. Requiere un movimiento lateral que se apoya en la elasticidad del sólido.

  • Comparison US standard atmosphere 1962

    La densidad y la presión disminuyen con la altitud, pero la temperatura (rojo) no lo hace de forma constante. La velocidad del sonido (azul) depende principalmente de la temperatura.

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Speed of sound Facts for Kids

Obtenido de «https://ninos.kiddle.co/index.php?title=Velocidad_del_sonido&oldid=5061415»
kids search engine
Todo el contenido de los artículos de la Enciclopedia Kiddle (incluidas las imágenes) se puede utilizar libremente para fines personales y educativos bajo la licencia Atribución-CompartirIgual a menos que se indique lo contrario. Citar este artículo:
Velocidad del sonido para Niños. Enciclopedia Kiddle.