Velocità del suono: un mondo di onde
La velocità del suono è la velocità a cui le onde sonore si propagano attraverso un mezzo, come l’aria, l’acqua o altri materiali. La velocità del suono dipende dal mezzo attraverso il quale si sta propagando e dalle condizioni di temperatura e pressione di tale mezzo.
Il suono è una perturbazione di tipo meccanico del mezzo nel quale esso si propaga, solitamente l’aria e viaggia a una certa velocità e possiede, come tutte le onde, una data frequenza e lunghezza d’onda. Un’onda sonora è generata da un oggetto vibrante che mette in oscillazione le molecole dell’aria ed è caratterizzata da ampiezza, periodo, frequenza, velocità di propagazione e lunghezza d’onda.
L’uomo riesce a percepire onde sonore da circa 20 Hz a circa 16000 Hz e dipendentemente dalla frequenza si hanno diversi toni. Minore è la frequenza, più basso è il tono; maggiore è la frequenza, più alto è il tono.
Per comprendere se la velocità del suono è maggiore o minore rispetto alla velocità della luce ci si può rifare all’ esperienza comune in cui si vede un lampo molto prima di sentirne il suono il che implica che essa è inferiore a quella della luce
Nel 1687 lo scienziato inglese Sir Isaac Newton calcolò per primo la velocità del suono discostandosi di circa il 15% dal valore reale. Nei secoli successivi vi furono diversi tentativi per ottenere una misurare accurata.
Solo nel 1709, lo scienziato inglese William Derham pubblicò una misura accurata usando un telescopio dalla torre della chiesa di St Laurence, Upminster, per osservare il lampo di un lontano fucile che veniva sparato, e poi misurò il tempo fino a quando non sentì lo sparo con un pendolo.
Formulazione matematica della velocità del suono
E’ definita come la distanza percorsa nell’unità di tempo da un’onda sonora che si propaga attraverso un mezzo. A 20 °C nell’aria è di 343.2 m/s, che corrisponde a 1.236 km/h .
La velocità del suono per un mezzo uniforme è determinata dal suo modulo di compressibilità e dalla sua densità.
Il modulo di compressibilità o modulo di bulk di una sostanza è una misura della resistenza di una sostanza alla compressione e definito come il rapporto tra l’incremento infinitesimale della pressione e la conseguente diminuzione relativa del volume.
La velocità del suono in un gas dipende dalla costante universale dei gas e dalle proprietà del particolare gas. Lo stato gassoso è costituito da molecole libere di muoversi e altamente comprimibili quindi, le onde sonore viaggiano lentamente attraverso di loro. In condizioni adiabatiche è correlata a:
- indice adiabatico γ dato dal rapporto tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costanteCp/ CV
- costante universale dei gas R pari a 8.314 J/mol·K
- temperatura assoluta R
- massa molecolare M
Fattori che influenzano la velocità del suono
La temperatura è uno dei fattori che influenza la velocità del suono infatti il calore, come il suono, è una forma di energia cinetica. Molecole a temperature più elevate
hanno maggiore energia e possono vibrare più velocemente e permettere alle onde sonore di viaggiare più velocemente.
Altri fattori sono l’umidità e la pressione atmosferica. La velocità del suono nell’aria aumenta con l’aumento dell’umidità, perché la densità dell’aria umida è minore della densità dell’aria secca. Quando la densità del mezzo diminuisce, la velocità del suono nel mezzo aumenta quindi essa è maggiore nell’aria umida che nell’aria secca.
A temperatura costante, la velocità del suono non dipende dalla pressione. Così un aumento della temperatura del mezzo aumenta la velocità del suono.
