A velocidade do Som

Toda onda sonora é uma onda mecânica que precisa de um meio para ser propagada. Essa onda é expressa em uma dimensão longitudinal e possui uma velocidade a ser mensurada. E por ter esse valor passível de ser calculado, é possível definir a velocidade do som, que é o cálculo da rapidez que essa propagação ocorre.

Essa velocidade foi encontrada graças a um estudo feito por um cientista francês, Pierre Gassendi. Gassendi constatou essa grandeza através de uma análise no funcionamento de canhões. Entre o clarão ocasionado pelo disparo e o barulho feito pelo armamento há um intervalo de tempo que define a propagação desse som. A essa velocidade se dá o nome de Velocidade do Som, conceito esse que Gassendi viu que apresentou um valor de 478 m/s.

Essa mesma ideia foi revista num estudo feito pela Academia de Ciências Parisiense, que apresentou o valor de 344 m/s de forma ainda mais precisa. A partir daí, esse valor passou a ser usado em cálculos físicos nos quais uma onda mecânica era usada como variável.

Exemplos da propagação

Os efeitos da propagação de um som podem ser vistos em casos bem simples. O mais comum é com uma mola que realiza dois tipos de movimentos: compressão e distensão. Quando a mola realiza compressão, a pressão se varia e provoca um deslocamento do fluído sonoro. Se a mola é distendida, a densidade desse fluído também irá variar. O som que é provocado por esses movimentos será mais veloz de acordo com o aumento ou a diminuição da compressão ou da distensão feita na mola.

Através desse exemplo pode-se perceber que uma onda sonora pode ter sua velocidade avaliada a partir do tempo que ela levou para ser propagada. Quando a Academia Científica Parisiense realizou o estudo da mesma velocidade do som numa temperatura de 20°, constatou-se que ela pode variar. E em virtude disso, viu-se dois aspectos:

• Primeiro: se a temperatura na atmosfera aumenta, a velocidade desse som tende a aumentar também e a criar uma gradiente positiva;

• Segundo: se a temperatura diminuir, essa mesma velocidade também diminuirá e criar uma gradiente negativa. Essa onda sonora, por ser mecânica, ocasionará um efeito acústico por conta da refração que a onda provoca. Normalmente, esse efeito acontece na estratosfera por causa da camada de ozônio.

Porém, essas variações na velocidade da onda sonora não acontecem somente no ar. Podem acontecer em outros meios. Se houver alguma alteração nesses meios a tendência é de que a velocidade desse som também vai sofrer alterações assim como sua pressão e sua temperatura.

• Se for no mar, a velocidade é de 1522 m/s;

• Se for no aço, a velocidade é de 6000 m/s;

• Se for no alumínio, a velocidade é de 4420 m/s.

Cálculo da velocidade de ondas sonoras

Para se chegar a uma equação para medir a velocidade de uma onda sonora, é preciso considerar uma condição normal de pressão a qual a onda é exposta. As relações usadas compreendem a densidade, a pressão e o deslocamento que essa onda exerce no meio.

Considere C como a variável da velocidade do som e Θ a temperatura do ar. Como a condição do ar é zero, então adota-se 0°C para fazer a medição e 273, 15 na escala Kelvin que é o equivalente à escala Celsius a nível 0°. Dessa forma, a equação ficaria da seguinte forma:

C = 331,45 (velocidade do som) √T/273,15, no qual T é a temperatura a qual a onda é submetida. O valor de 273,15 precisa permanecer uma vez que o valor correspondente está em escala absoluta.

Através dessa equação é possível chegar a uma velocidade de propagação precisa. Hoje em dia, existem alguns aparelhos que colocam o cálculo dessa variável na prática. Existem alguns sensores especiais muito usados para conferir a velocidade de um som de um avião supersônico, por exemplo, ou de um salto de queda livre. O uso desses aparelhos consiste em emitir um pulso frenético, parecido com as ondas transmitidas em uma máquina de ultrassom, e fazer a calibragem da refração do som que volta à frequência do sensor.

Dentro desse processo de refração do som, que é um eco, o sensor processa e expõe o valor aproximado da velocidade que o som levou para percorrer o espaço em que foi propagado. Essa variável sempre é expressa em m/s. Se algo acontece no espaço, como é o caso da variação de temperatura, o sensor mostrará exatamente a variação detalhada no cálculo mostrado na tela. Isso comprova que a onda mecânica de um som, embora longitudinal, pode ser alterado de acordo com a pressão, a densidade do meio material que o som se propagada e a temperatura presente na avaliação. Esse evento sempre será cíclico a não ser que essas alterações ocorram antes da medição ocorrer.

Aplicações na Aviação

O som tem um papel crucial na aviação, principalmente quando falamos de caças supersônicos. Um caça que ultrapassa a velocidade do som (aproximadamente 1235 km/h ao nível do mar) produz uma “barreira sônica”, resultando em um estrondo sônico. Este é um forte pulso de som que se assemelha a uma explosão. Caças modernos, como o F-22 Raptor ou o Su-57, são capazes de voar em velocidades supersônicas, fazendo do entendimento da física do som um elemento crucial para sua operação.

Exemplo Prático de velocidade do som

Imagine um caça da força aérea realizando uma manobra em alta velocidade próxima à velocidade do som. Se o piloto não tiver treinamento e compreensão adequados sobre as implicações da barreira sônica, ele pode ser pego de surpresa pelo repentino aumento de arrasto aerodinâmico e pela instabilidade que pode ocorrer ao cruzar essa barreira. Essa é uma das razões pelas quais os pilotos de caça passam por treinamentos extensivos para voar em velocidades próximas ou superiores à do som.