Velocidade do som

A velocidade do som é a rapidez que o som tem para percorrer um espaço em um determinado tempo. O som é uma onda mecânica, precisa de um meio para se propagar, como a água e o ar, por isso, não se propaga no espaço (vácuo).

Ondas são perturbações no espaço, e possuem:

• amplitude (A)

• comprimento de onda (λ)

• frequência (f)

• velocidade (V)

A velocidade de uma onda é calculada pelas equações: V = λ . f ou V = λ/T, e a unidade de medida é m/s. Essa velocidade depende do meio: em meios gasosos, a velocidade é menor que em meios sólidos.

Quando objetos estão se movendo de modo próximo ou superior à velocidade do som no ar (20°), 344 m/s, é relacionada uma grandeza chamada mach, a fim de informar a rapidez desses objetos em relação ao som.

Leia também: Qual é a diferença entre a velocidade da luz e a velocidade do som?

Resumo sobre a velocidade do som

• O som é uma perturbação no espaço.

• Perturbações que precisam de um meio para se propagar são chamadas de ondas mecânicas, como é o caso do som.

• Como qualquer onda, o som possui amplitude, comprimento de onda, frequência e velocidade.

• A velocidade do som pode mudar dependendo do meio em que ele está.

• O som se propaga mais rápido em meios sólidos que em meios líquidos e gasosos.

• A velocidade do som no ar (20°) é de, aproximadamente, 344 m/s.

• Objetos que ultrapassam a barreira do som são relacionados com a grandeza match, que relaciona a velocidade do objeto com a velocidade do som.

Cálculo da velocidade do som

Utilizando a equação geral das ondas para encontrar a velocidade do som, é necessário descobrir sua frequência (f), quantas oscilações ocorrem por segundo, e seu comprimento da onda (λ), que é o tamanho de um ciclo de onda:

V = λ . f

V: velocidade da onda (m/s)

λ: comprimento de onda (m)

f: frequência da onda (Hz ou m^-1)

Essa velocidade também pode ser encontrada pelo período da onda (T), que é o tempo para formar-se uma oscilação:

T: período de onda (s)

Velocidade de propagação do som em diferentes meios

A velocidade do som pode se alterar dependendo:

• do estado físico (gasoso, líquido, sólido);

• da elasticidade (capacidade de deformação);

• da temperatura do meio.

Esse processo chama-se refração, quando uma onda muda o meio de propagação e, por conta do material, sua velocidade aumenta ou diminui.

Outro fator que pode alterar a velocidade do som é a temperatura. No ar, a 0 °C, a velocidade do som é em torno de 331,45 m/s, enquanto, a 25 °C, é de 298,15 m/s.

Para calcular essa diferença, basta utilizar a temperatura do ar a 0 °C e a velocidade nesse estado, e você achará a velocidade em outras temperaturas.

Utilizando a temperatura 0 °C em kelvin (K), 273,15 K, por meio da seguinte equação, podemos determinar a velocidade do som em diferentes temperaturas do ambiente:

V: velocidade do som no meio (m/s)

T: temperatura em que queremos comparar a velocidade (K)

T₀: temperatura 0 °C em kelvin (K)

Utilizando como exemplo a temperatura 40 °C (313,15 K):

Tabela com a velocidade do som em diferentes meios:

Leia também: 5 coisas que você precisa saber sobre o som

Velocidade do som em mach

Quando um objeto atinge ou ultrapassa a velocidade do som no ar, 344 m/s ou 1224 km/h, começamos a tratá-lo como supersônico, e a grandeza para falar dessas velocidades altas é o mach.

O mach é uma grandeza adimensional (não tem unidade de medida) e é encontrado pela razão (divisão) da velocidade do objeto (V₀) pela velocidade do som (V_s).

M: mach

V₀: velocidade do objeto (m/s ou km/h)

V_s: velocidade do som (m/s ou km/h)

Quando esse objeto chega à velocidade do som, dizemos que ele está em mach 1. Se esse objeto viaja a uma velocidade duas vezes maior que a do som, dizemos que ele está em mach 2, e assim por diante com os múltiplos da velocidade do som.

Quais as características do som?

Nem todo som é capaz de ser captado pelos ouvidos humanos. A capacidade dos nossos ouvidos está entre as frequências de 20 Hz e 20 mil Hz.

Sons com frequências menores que 20 Hz são conhecidos como infrassom, já os com frequência acima dos 20 mil Hz são chamados ultrassons.

Animais como morcegos, golfinhos e gatos são capazes de perceber sons ultrassônicos, entre 60 Hz e 150.000 Hz. Animais como o cão conseguem perceber sons infrassônicos, entre 15 Hz e 50.000 Hz.

Em relação à acústica, quando trabalhamos com o som, além das características da onda mecânica que ele possui: amplitude (A), comprimento de onda (λ), frequência (f), período (T) e velocidade (V), o som possui características fisiológicas: o timbre, a intensidade e a altura.

O timbre é o que permite diferenciar notas iguais em diferentes instrumentos, por exemplo, ele é o responsável por determinarmos diferentes fontes sonoras.

A intensidade está relacionada com a energia transmitida pela onda sonora. Essa energia é vista pela amplitude da onda, quanto mais alta a onda, maior a intensidade.

A altura está relacionada com a frequência da onda. Quando a frequência é alta, o som é agudo, e quando a frequência é baixa, o som é grave.

Dependendo da fonte e do observador de ondas sonoras, a frequência recebida/emitida varia, isso é conhecido como efeito doppler, em homenagem ao físico Christian Doppler.

Se a fonte sonora se aproxima do observador, a frequência da onda aumenta, diminuindo o comprimento de onda, e, assim, o observador escuta um som mais agudo.

Se a fonte sonora se afasta do observador, a frequência da onda diminui, aumentando o comprimento de onda, e, assim, o observador escuta um som mais grave.

Leia também: Por que o som não se propaga no espaço?

Barreira do som

O limite que um objeto pode se locomover antes de atingir a velocidade do som é o que conhecemos como barreira de som. Ao ultrapassar a velocidade do som, os objetos comprimem o ar e aumentam a pressão que está ao seu redor, causando uma onda de choque.

Os primeiros aviões a ultrapassarem a barreira faziam isso em queda livre. O primeiro voo supersônico foi realizado em 14 de outubro de 1947, pelo americano Chuck Yeager, pilotando um Bell X-1.

Videoaula sobre a diferença entre a velocidade da luz e a velocidade do som

Exercícios resolvidos sobre a velocidade do som

Questão 1 - (UFSM) O som é uma onda mecânica longitudinal percebida por muitos seres vivos e produzida por vibrações mecânicas, as quais podem ser induzidas por causas naturais, como o vento. O objeto que, ao vibrar, produz um som, é chamado de fonte sonora.

Uma certa fonte sonora, vibrando com frequência de 480 Hz, produz uma onda sonora que se desloca no ar, com velocidade de módulo 340 m/s, num referencial em que o ar está parado. Se a mesma fonte vibrar com frequência de 320 Hz, o módulo da velocidade de propagação da onda sonora correspondente, no ar, em m/s, é:

A) 113,3

B) 226,7

C) 340

D) 510

E) 1020

Resolução

Alternativa C. Como a fonte sonora é a mesma e permanece no ar (não muda o meio nem a temperatura nem a elasticidade), a velocidade para outra frequência é a mesma.

Questão 2 - (UFABC 2015) Peritos utilizam técnica arqueológica para descobrir conexões clandestinas de água em postos de gasolina.

Usado para descoberta de nichos arqueológicos, o geo-radar prova que é uma excelente tecnologia para detectar conexões clandestinas de água em postos de gasolina.

Enquanto passeia sobre o pátio, o geo-radar capta informações que são visualizadas na tela de um computador, de modo semelhante a uma ultrassonografia. Apesar da semelhança do geo-radar com o ultrassom, as ondas emitidas por esses aparelhos guardam extremas distinções, já que, para o primeiro, são utilizadas ondas eletromagnéticas, enquanto o segundo utiliza ondas mecânicas.

Com respeito a essas formas de ondas, analise:

I. Uma onda mecânica apenas se propaga em meios materiais;

II. A lei que determina a velocidade de propagação da onda eletromagnética, em função do comprimento de onda e da frequência da onda, não se aplica a ondas mecânicas;

III. A reflexão, a refração e a difração são fenômenos que ambas as formas de onda podem sofrer.

É correto o contido em:

A) I, apenas.

B) II, apenas.

C) I e III, apenas.

D) II e III, apenas.

E) I, II e III.

Resolução

Alternativa B. A única alternativa incorreta é a II, já que todos os tipos de onda possuem comprimento de onda e frequência de onda, independentemente se é eletromagnética ou mecânica.