Care este valoarea vitezei sunetului

Cuprins

1 Sunetul nu este o constantă
- 1.1 Apa și mediul solid modifică viteza sunetului
2 Care este valoarea vitezei sunetului
3 Detaliile schimbă care este valoarea vitezei sunetului
4 Bariera sunetului a fost depășită
5 Ce legătură are viteza sunetului cu viața noastră cotidiană

Încă din copilărie, aflăm cu toții că, din momentul în care apare un fulger pe cer, mai sunt câteva secunde până se va auzi și impresionanta bubuitură a tunetului. Fără să știm ce înseamnă asta, folosim viteza sunetului pentru a estima cât mai e până la declanșarea unei furtuni. Este unul dintre cele mai vechi trucuri învățate de oameni. Și funcționează perfect pentru că sunetul, spre deosebire de lumină, are o viteză pe care omul o poate simți, cuantifica și chiar depăși.

Sunetul nu este o constantă

Ca să înțelegi care este valoarea vitezei sunetului, e important să știi mai întâi ce este sunetul. Căci avem de-a face cu nimic altceva decât cu o vibrație. Este o undă de presiune care se propagă prin molecule. Când aerul este mai cald, moleculele se mișcă mai rapid și mai energic, transmițând vibrația mai eficient. Este ca și cum ai transmite un mesaj prin intermediul unui lanț uman. Cu cât oamenii sunt mai atenți și mai apropiați, cu atât mesajul ajunge mai repede.

Spre deosebire de viteza luminii, care este o constantă universală de aproape 300000 de kilometri pe secundă, indiferent de context, viteza sunetului variază în funcție de mediul și temperatura prin care călătorește. În aer, cu cât temperatura este mai mare, cu atât sunetul se deplasează mai repede. La 0°C, viteza sunetului în aer uscat scade la aproximativ 331 de metri pe secundă. La 35°C, într-o zi toridă de vară, urcă spre 352 de metri pe secundă. Diferența pare mică, dar contează enorm în domenii precum aviația, meteorologia și acustica.

Apa și mediul solid modifică viteza sunetului

Prin apă, sunetul zboară de patru ori mai repede. Este un fapt care surprinde pe toată lumea. Căci sunetul se propagă mult mai rapid prin apă decât prin aer. În apă, viteza sunetului este de aproximativ 1480–1500 de metri pe secundă, de aproape 4,3 ori mai rapid decât în aer. Și asta în ciuda faptului că apa este mai densă decât aerul, ceea ce ar sugera o viteză mai mică.

RECOMANDAREA NOASTRĂ:

Iubirile regretatului Ioan Isaiu. Alexandru Pugna, detalii neștiute despre femeile din viața actorului: „A avut o relație cu o chinezoaică. A fost căsătorit cu Nicoleta Ilie”

Dar, pe lângă densitate, contează și compresibilitatea mediului. Or, apa este extrem de greu de comprimat. Iar asta înseamnă că o variație de presiune într-un punct se transmite aproape instantaneu vecinilor. Drept urmare, undele sonore trec prin mediul lichid cu o viteză uluitoare. Balenele și delfinii știu asta instinctiv. Este și motivul pentru care pot comunica sonor în mediul oceanic de la distanțe de sute și chiar mii de kilometri.

În medii solide, sunetul devine supersonic față de aer. În oțel, spre exemplu, sunetul se propagă cu aproximativ 5100–5900 de metri pe secundă, de aproape 17 ori mai rapid decât în aer. În aluminiu, se propagă cu aproximativ 5100 m/s. Iar în diamant, cel mai dur material natural cunoscut, sunetul atinge viteze de aproape 12000 de metri pe secundă. Așa se explică și un experiment clasic din fizică. Dacă lipești urechea de o șină de tren, auzi trenul care se apropie cu mult înainte de a-l auzi prin aer. Șina de oțel transmite vibrațiile mult mai eficient și mai rapid decât coloana de aer de deasupra ei.

RECOMANDAREA NOASTRĂ:

Cum arată fiul lui Victor Cornea. Luca a fost invitat la aniversarea Ellei, fiica cea mare a Andreei Bălan, care a împlinit 8 ani

Care este valoarea vitezei sunetului

Acum că știi câteva curiozități despre sunet, e cazul să afli și care este valoarea vitezei sunetului. Căci este vorba despre un număr aparent banal, despre o valoare simplă, cu un noian de consecințe. În spatele ei se ascunde fizica lumii, de la moleculele care vibrează, oceanele care transmit cântece la mii de kilometri, până la piloții cu coaste rupte care demolează mituri, roverele care ascultă ecoul laserelor pe o planetă roșie și medicii care văd în interiorul corpurilor noastre.

Viteza sunetului este una dintre acele valori care, odată înțeleasă, schimbă felul în care privești furtunile, avioanele, muzica și chiar liniștea. Pentru că liniștea, în fond, nu este absența sunetului, ci lipsa moleculelor care să-l transmită. Așadar, care este valoarea vitezei sunetului? Răspunsul simplu standard ar fi 343 de metri pe secundă. Numai că depinde de diferiți factori.

Viteza sunetului în aer este de aproximativ 343 de metri pe secundă, adică în jur de 1235 kilometri pe oră. Este valoarea măsurată la temperatura de 20°C, temperatura camerei, și la nivelul mării. Cu alte cuvinte, sunetul parcurge un kilometru în aproximativ 3 secunde și o milă în circa 5 secunde. Dacă ești la 3 kilometri distanță față de un foc de artificii, auzi sunetele puternice la aproape 9 secunde după ce ai văzut luminile.

Detaliile schimbă care este valoarea vitezei sunetului

Cum spuneam anterior, care este valoarea vitezei sunetului depinde mai mulți factori. De aceea, răspunsul nu este atât de simplu cum pare.

Trucul cu fulgerul

Revenind la trucul învățat în copilărie, acesta ne învață să calculăm distanța sunetului în timp real. Pur și simplu ai de numărat secundele dintre fulger și tunet și apoi de împărțit la 3 numărul obținut. Rezultatul este distanța în kilometri. Dacă numeri 9 secunde, ești la aproximativ 3 kilometri de locul descărcării electrice. Funcționează pentru că lumina fulgerului ajunge la ochii tăi aproape instantaneu. Căci viteza luminii este de 300000 km/s. Sunetul tunetului, în schimb, parcurge cei 343 de metri pe secundă cu rigurozitate. Fiecare secundă înseamnă 343 de metri, deci trei secunde înseamnă cam un kilometru.

În spațiu nu există sunet

Una dintre cele mai bine cunoscute replici din istoria cinematografiei este citatul din filmul „Alien', din 1979: „In space, no one can hear you scream' („În spațiu, nimeni nu te poate auzi strigând'). Este, din punct de vedere fizic, complet corect. Sunetul are nevoie de un mediu material, de molecule care să vibreze și să transmită unda de presiune. Or, vidul cosmic nu conține astfel de molecule. Nicio undă sonoră nu se poate propaga acolo. Exploziile de nave spațiale din filmele de acțiune, cu bubuituri asurzitoare, nu sunt decât efecte cinematografice, imposibile în viața reală.

Pe Marte, sunetul sună altfel

Dacă, pe Pământ, lucrurile par complicate, pe Marte devin cu adevărat ciudate. Căci atmosfera marțiană este de aproximativ 100 de ori mai subțire decât cea a Pământului. Și este compusă în proporție de 95% din dioxid de carbon (CO₂). Drept urmare, cea care este valoarea vitezei sunetului pe Marte diferă. Și este de aproximativ 240 de metri pe secundă, mult mai lentă decât pe Pământ. Iar cel mai interesant este că variază în funcție de frecvență.

Roverul Perseverance al NASA a măsurat efectiv sunetul pe Marte, în 2022, trăgând cu laserul în stânci și ascultând ecoul. Concluzia surprinzătoare a cercetătorilor a fost că, pe Marte, sunetele cu frecvențe înalte (de peste 240 Hz) călătoresc cu circa 10 m/s mai repede decât sunetele joase. Pe Pământ, toate frecvențele audibile se propagă cu aceeași viteză. Pe Marte, un concert ar ajunge la urechile noastre complet haotic. Viorile s-ar auzi înaintea contrabasurilor, iar sunetele înalte, înaintea celor grave. Am auzi o simfonie distorsionată, servită de fizica dioxidului de carbon.

36 de kilometri pe secundă este recordul absolut

O colaborare între Universitatea Queen Mary din Londra, Universitatea Cambridge și Institutul pentru Fizica Presiunilor Înalte din Moscova a stabilit recent o limită teoretică superioară pentru care este valoarea vitezei sunetului. Și aceasta ar fi de aproximativ 36 de kilometri pe secundă. Această viteză colosală ar putea fi atinsă, teoretic, într-un material exotic, hidrogenul metalic solid. Este vorba despre o formă de hidrogen care există doar la presiuni de peste un milion de atmosfere, comparabile cu cele din miezul planetei Jupiter.

Este de două ori mai rapid decât viteza sunetului în diamant. Și rămâne, deocamdată, un record al universului calculat, nu măsurat. Fascinant este că limita aceasta nu a fost găsită prin experimente, ci prin ecuații cuantice avansate. S-a pornit de la două constante fundamentale ale fizicii: constanta de structură fină (Sommerfeld) și raportul masă proton-electron. Cu alte cuvinte, sunt aceleași numere care guvernează formarea stelelor și sinteza nucleară.

Ce este Mach

Numărul Mach exprimă viteza unui obiect în raport cu viteza sunetului. Și poartă numele fizicianului și filosofului austro-ceh Ernst Mach (1838–1916). Mach 1 înseamnă exact viteza sunetului. Mach 2 înseamnă de două ori viteza sunetului. Avioanele de vânătoare moderne ating curent Mach 2–2,5. Naveta spațială reintra în atmosferă la aproximativ Mach 25. Meteoriii mari pot atinge Mach 70–80.

Există și clasificări intermediare: vitezele transsonice (între Mach 0,8 și 1,2) sunt cele mai problematice din punct de vedere aerodinamic. Căci obiectul este simultan sub și peste viteza sunetului în puncte diferite ale suprafeței sale. Vitezele hipersonice (peste Mach 5) sunt domeniul rachetelor balistice și al capsulelor spațiale.

Bariera sunetului a fost depășită

Vorbind despre care este valoarea vitezei sunetului, nu avem cum să nu amintim aici un moment emblematic al secolului al XX-lea: 14 octombrie 1947. În acea zi, deasupra deșertului Mojave din California, un pilot de 24 de ani, pe nume Chuck Yeager, a urcat la bordul unui avion-rachetă experimental numit Bell X-1, „botezat' Glamorous Glennis, după numele soției sale. Și a intrat în istorie.

Avionul a fost transportat la altitudine de un bombardier B-29, apoi eliberat și propulsat de propriile motoare-rachetă. Yeager a urcat până la 13700 de metri și a atins viteza de Mach 1,06, adică aproximativ 1127 km/h. Manometrul de bord a sărit brusc de la 0,965 la 1,06 Mach. Bariera sunetului fusese spartă.

Ironic este că Yeager avusese două coaste rupte cu două nopți înainte, în urma unei căzături de pe cal. De teamă să nu fie scos din misiune, a consultat un medic civil discret și și-a lipit coastele cu bandaj, fără să spună nimănui din echipa oficială. Zborul a durat 14 minute de la eliberare până la aterizare. A fost lin, fără turbulențe, exact opusul a ceea ce mulți ingineri se temeau că avea să se întâmple. Misiunea a rămas secretă până în iunie 1948. Lumea nu știa că bariera sunetului, considerată de mulți o limită de netrecut, a fost depășită de un om cu coastele bandajate, într-un avion în formă de glonț.

Ce legătură are viteza sunetului cu viața noastră cotidiană

S-ar putea să crezi că viteza sunetului este un concept pur academic, relevant doar pentru fizicieni și piloți. Dar influențele sale sunt mai prezente în viața cotidiană decât îți imaginezi.

În medicină

Ecografiile și investigațiile cu ultrasunete funcționează exact pe principiul propagării și reflexiei undelor sonore prin diferite țesuturi. Diferența de viteză a sunetului prin os față de mușchi sau grăsime permite medicilor să construiască imagini ale interiorului corpului tău.

În arhitectură

Acustica unei săli de concert este proiectată ținând cont de viteza sunetului, de reflexii, de materialele pereților. Un concert live este o lecție de fizică la scară umană.

În meteorologie

Tunetul te informează despre distanța furtunii. Meteorologii folosesc datele acustice pentru a urmări tornadele și fenomenele severe.

În geologie

Seismologii măsoară viteza undelor sonore prin straturile Pământului pentru a deduce compoziția miezului planetei noastre. Trăim pe o planetă pe care nu o poți fora până la centru, dar pe care o poți „asculta” prin undele sale.

În navigație subacvatică

Submarinele și navele de cercetare folosesc viteza sunetului în apă pentru a cartografia fundul oceanului și a detecta obstacole. Balenotecile de navigație bazate pe ecou sunt o versiune biologică a aceluiași principiu.

Sursa foto: Shutterstock

Alte surse: nasa.gov, wikipedia.org, harvard.edu, scientia.ro,

Citește și Ce este acciza, cum se aplică și cine o plătește

Cel mai nou VIDEO