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A velocidade do som: por que é tão diferente no ar e na água?
A velocidade do som refere-se à distância que as ondas sonoras percorrem por unidade de tempo em meio elástico. Simplificando, a velocidade do som é a velocidade com que as vibrações são transmitidas. No ar a 20°C (68°F), a velocidade do som é de cerca de 343 metros por segundo, enquanto na água, a velocidade do som pode atingir 1.481 metros por segundo, o que é quase 4,3 vezes mais rápido. A diferença entre os dois levanta a questão: por que o som viaja em velocidades tão diferentes em meios diferentes?
Nos gases, o som existe principalmente na forma de ondas de compressão, enquanto nos sólidos existem dois tipos de ondas: ondas de compressão e ondas de cisalhamento.
Em primeiro lugar, a velocidade do som depende das propriedades do meio de propagação, incluindo densidade, módulo de elasticidade e temperatura. No ar, a velocidade do som é significativamente afetada pela temperatura. De modo geral, à medida que a temperatura aumenta, a velocidade do som aumenta. Isso ocorre porque quando a temperatura do gás aumenta, a mobilidade molecular aumenta, resultando em um aumento na velocidade de transmissão da vibração na água, a velocidade do som é afetada principalmente pela densidade e pelo módulo de elasticidade da água; A água é cerca de 800 vezes mais densa que o ar, o que permite que o som viaje através da água mais rapidamente.
Nos sólidos, o som viaja mais rápido porque as moléculas nos sólidos são mais densamente compactadas e o meio de transmissão de vibrações é mais eficiente.
O som viaja mais rápido em diferentes materiais sólidos, exceto água e ar. Por exemplo, no aço, a velocidade do som chega a 5.000 metros por segundo, e no diamante, chega a 12.000 metros por segundo. Isso ocorre porque a estrutura do sólido permite que as ondas sonoras viajem de maneira mais eficiente. Nos sólidos, o som existe na forma de ondas de compressão e ondas de cisalhamento. A presença de ondas de cisalhamento aumenta ainda mais a capacidade de propagação do som.
Na atmosfera da Terra, a velocidade do som pode variar de 295 metros por segundo a 355 metros por segundo, dependendo da altitude e da temperatura.
Na verdade, a velocidade do som não é apenas uma medida das propriedades da matéria, mas também um fenômeno que enfrentamos frequentemente em nossas vidas. Em áreas como aviação e navegação, a velocidade do som é crítica para o projeto de aeronaves e navios. Quando a velocidade de um objeto excede a velocidade do som, chamamos isso de supersônico. Este fenômeno é amplamente estudado em muitas aplicações militares e científicas. Na história da exploração deste fenómeno, os estudos do som de cientistas do século XVII, como Newton e Laplace, lançaram as bases para a nossa compreensão hoje. Por exemplo, Newton calculou a velocidade do som no ar pela primeira vez em "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural". Embora os resultados de seus cálculos contivessem certos erros, esse erro foi eventualmente corrigido por cientistas posteriores.
A transmissão do som pode ser explicada por um modelo: imagine uma série de esferas conectadas entre si por molas, e as ondas sonoras são transmitidas pela compressão e expansão das molas.
Ao explorar estes fenômenos, também precisamos considerar outros fatores, como a homogeneidade do meio e as mudanças de temperatura. A propagação do som em um ambiente específico pode ser afetada por vários fatores. Por exemplo, o ar úmido aumenta a velocidade do som porque as moléculas de água são menos densas que o oxigênio e o nitrogênio, tornando a propagação do som mais eficiente. A velocidade do som está intimamente relacionada às propriedades das ondas. Podemos observar que em diferentes materiais as ondas de compressão e cisalhamento podem chegar ao observador em velocidades diferentes, mesmo quando medidas na mesma frequência. Por exemplo, em terremotos, as ondas de compressão são frequentemente as primeiras a chegar, seguidas pelas ondas de cisalhamento. Quando estudarmos mais a fundo a propagação do som, talvez um mundo físico mais profundo se abra para nós por trás desses conceitos e fenômenos. Em sólidos densamente estruturados, a propagação das ondas sonoras pode representar uma força mais oculta e em líquidos ou gases, a presença do som nos faz pensar na complexidade da propagação? Em resumo, as diferenças de velocidade do som em diferentes meios mostram a maravilha e a complexidade da natureza. Você já pensou no significado físico por trás desses fenômenos?
