Velocidade do som

Velocidade do som é a medida do espaço que é percorrido por uma onda sonora durante um intervalo de tempo. Essa medida depende diretamente do meio no qual o som propaga-se. Além disso, a velocidade do som depende de uma característica do meio no qual ele se propaga chamada de elasticidade, ou seja, sua capacidade de se deformar quando sujeito a alguma pressão.

Para a melhor compreensão de todo o conteúdo contido neste texto, sugerimos que você confira os artigos O que é som? e também Ondas sonoras.

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Características

Quando o som propaga-se no ar, por exemplo, ele cria regiões de compressão e rarefação. Tais regiões caracterizam-se por altas e baixas pressões que se alternam em um movimento de vai e vem. É por esse motivo que o som é definido como onda transversal e mecânica: ele se propaga na mesma direção do estímulo responsável por produzi-lo. Além disso, é necessário que haja um meio para propagá-lo.

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Além de sua dependência da rigidez do meio, a velocidade do som também pode variar de acordo com a temperatura. No caso do som que se propaga no ar atmosférico, existe uma fórmula empírica que relaciona a velocidade de propagação do som a partir de 0 ºC (273,15 K) com a temperatura do ar. Confira:

A fórmula acima relaciona a velocidade de propagação do som a 0ºC (331,45 m/s) com a temperatura em que se deseja calcular a velocidade do som (T), em kelvin. Confira o exemplo a seguir, no qual calculamos a velocidade do som no ar para a temperatura de 25 ºC (298,15 K):

O resultado obtido pelo cálculo acima é aproximado, uma vez que diferentes fatores, como a altura em relação ao nível do mar, podem afetar diretamente a velocidade de propagação do som no ar. Se convertido em quilômetros por hora (km/h), a velocidade do som no ar obtida por meio desse cálculo é de aproximadamente 1238 km/h.

Apesar de útil, a fórmula mostrada acima só é válida para a propagação do som no ar atmosférico. Caso queiramos usar uma fórmula mais geral, é necessário considerar a fórmula que relaciona a velocidade do som com a sua frequência e comprimento de onda.

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Fórmulas para calcular a velocidade do som

É possível calcular a velocidade do som se soubermos o seu comprimento de onda e a sua frequência. Chamamos de comprimento de onda o espaço que é percorrido por uma oscilação completa da onda sonora, enquanto a frequência pode ser compreendida como o número de oscilações que a onda sonora realiza a cada segundo:

v – velocidade do som (m/s)

λ – comprimento de onda (m)

f – frequência do som (s^-1 ou Hz)

Outro fato interessante sobre a velocidade sonora é que a sua velocidade de propagação não depende do observador (quem escuta as ondas sonoras). Se você se afasta ou se aproxima de uma fonte emissora de ondas sonoras, a sua velocidade em relação a essas ondas permanece constante.

Isso acontece porque a velocidade de propagação do som depende somente das características do meio em que ele se propaga. Desse modo, quando nos aproximamos de uma fonte emissora de ondas sonoras, percebemos um aumento na frequência do som, acompanhado de uma diminuição do comprimento de onda, e a velocidade de propagação mantém-se constante. O nome dado a esse fenômeno é efeito doppler. Se quiser saber mais sobre como esse fenômeno acontece, acesse o nosso texto: Efeito doppler.

Quando o som passa de um meio para outro, ele pode sofrer refração, assim como ocorre com a luz. Quando refratado, o som tanto pode ter sua velocidade aumentada como diminuída, de acordo com a rigidez do meio em que ele passa a se propagar. Quando o som é transmitido pelo interior dos meios sólidos, como nos metais, as suas velocidades de propagação geralmente são muito superiores àquelas que são alcançadas em meios líquidos e gasosos, graças à grande proximidade e à forte interação existente entre as moléculas de um sólido.

No interior dos sólidos, diferentemente da forma em que o som se propaga no ar, os sons podem propagar-se na forma de ondas transversais, como também na forma de ondas longitudinais. As ondas longitudinais produzidas pelo som no interior dos sólidos são chamadas de ondas de pressão. Esse tipo de onda pode ser observado e detectado a longas distâncias durante a ocorrência de grandes terremotos, por exemplo.

Velocidade do som em Mach

Existe um número utilizado como parâmetro para se comparar a velocidade de propagação de algo com relação à velocidade média de propagação do som no ar (340 m/s). Esse número é chamado de número de Mach (Ma) e é bastante utilizado para comparar a velocidade do voo de caças e foguetes, que frequentemente viajam em velocidades superiores à velocidade do som, chamadas de velocidades supersônicas. Veja a fórmula utilizada para calcular o número de Mach:

M – número de Mach

v_{O –} velocidade do objeto

V_S – velocidade média do som no ar (340 m/s)

Se analisarmos a fórmula utilizada para o cálculo do número de Mach, perceberemos que se trata de uma grandeza adimensional (desprovida de qualquer unidade física que a defina). Além disso, quando algum corpo move-se a 2 Ma (lê-se 2 Mach), isso significa que a sua velocidade de propagação é 2 vezes maior que a velocidade de propagação do som no ar (680 m/s).

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Velocidade do som em cordas

Quando o som propaga-se em algum meio unidimensional e homogêneo, como em cordas ou fios esticados, é possível determinar a sua velocidade por meio da fórmula de Brook Taylor. Confira:

v – velocidade de propagação do som (m/s)

F – Tração aplicada ao fio (N)

μ – densidade linear do fio (kg/m)

A fórmula acima mostra que a velocidade de propagação do som em cordas e fios é proporcional à intensidade da força de tração que é aplicada sobre eles: quanto mais esticados, maior será a velocidade do som em seu interior. Além disso, pode-se observar que a velocidade do som é inversamente proporcional à grandeza μ, conhecida como densidade linear. Essa grandeza mede a quantidade de massa, em quilogramas, contida em cada metro de comprimento desse fio.

Velocidade do som em diferentes meios

Confira qual é a velocidade do som para diferentes meios:

Quando analisamos a tabela acima, é possível perceber que existe uma grande diferença entre a velocidade do som na água pura (destilada) e na água do mar (salgada). Isso ocorre pela presença de uma grande quantidade de sais diluídos na água do mar, bastante eficazes na propagação das ondas sonoras.