¿Cuál es la Velocidad de Propagación del Sonido?

La velocidad de propagación del sonido depende del medio donde éste se origina, y de ciertas condiciones inherentes al mismo, como son la temperatura y la densidad. Para las ondas de sonido, el medio son las moléculas de aire; para la electricidad, el medio son los electrones. La velocidad de la onda determina cómo de rápido, un ciclo concreto de la forma de onda recorrerá una cierta distancia.

Para romper la barrera del sonido, un objeto debe moverse a una velocidad suficientemente alta para superar la velocidad del sonido en el medio en el que se está moviendo.

Cualquiera que sea la frecuencia de un sonido, viajará por el aire a una velocidad de 343'4 metros por segundo a la presión atmosférica normal (760mb) y a 20 grados de temperatura. Si la temperatura es de cero grados la velocidad de propagación será de 331'4 mts/seg; es decir, que se reduce según la temperatura a razón de 60cms por cada grado centígrado menos. En el agua dulce el sonido viaja a 1430 metros por segundo; mientras que en el agua salada lo hace a 1505 metros por segundo. En ambos casos se supone una temperatura de 15 grados.

La velocidad de propagación del sonido puede considerarse como permanente, cualquiera que sea la intensidad o la frecuencia del mismo; aunque de hecho las frecuencias altas se desplacen algo más deprisa, no hace falta tenerlo en cuenta para hacer cualquier medición o cálculo.

La velocidad del sonido c en un gas depende de su peso molecular y de su temperatura, según la ecuación;

donde    γ  = Cp / Cv = 1,4  para gases diatómicos (como el aire), 
              R = 8,31 J/mol·°K,
              M = masa de 1 mol  en kg/mol = 0,0288 kg/mol para el aire, 
              T  = temperatura absoluta en °K

Para temperaturas cercanas a la temperatura ambiente, esta expresión puede aproximarse (para el aire) por

c = 332 + 0,608⋅t ,

donde t es la temperatura en °C y c está en m/s. En particular, para t = 20ºC resulta  c = 344 m/seg.

Las perturbaciones no sólo se propagan en los gases, sino también en cualquier medio elástico, como los líquidos y los sólidos. En la siguiente tabla se indica aproximadamente la velocidad del sonido en varios medios para ondas planas (en una onda plana la presión en cada instante es constante sobre cada plano perpendicular a la dirección de propagación).

Medio	Velocidad [m/s]
Aire a 0 °C	332
Aire a 20 °C	344
Anhídrido carbónico	260
Hidrógeno	1294
Agua a 20 °C	1482
Alcohol etílico a 20 °	1170
Vapor a 100 °C	405
Acero	5200
Aluminio	5000
Bronce	3480
Corcho	500
Hormigón	3500
Granito	3950
Madera	4000
Mármol	3810
Plomo	1190
Vidrio	5000

La propagación de una onda sonora no implica un desplazamiento neto de las partículas (moléculas) que forman el aire, sino de la perturbación. En otras palabras, no existe propagación de materia, como sucede en cambio en una ráfaga de viento o en el flujo de aire a través de una tubería de ventilación.

Sin embargo, cuando por un punto pasa una perturbación, las partículas correspondientes experimentan, realmente, un pequeño desplazamiento respecto a su posición de equilibrio. Al terminar la perturbación, cada partícula vuelve a su estado original.

El movimiento de una partícula alrededor de su posición de equilibrio podría describirse por medio de la distancia respecto a dicha posición en cada instante (elongación), pero resulta más conveniente hacerlo en términos de la velocidad u. Una de las razones es que para una onda plana la presión resulta ser proporcional a la velocidad:

donde ρo = densidad del aire en kg/m³ = 1,2kg/m³ a 20ºC
            c  = velocidad de propagación del sonido en m/s = 344 m/s

El cociente p/u se denomina impedancia acústica, Za:

De la ecuación primera puede deducirse que para una conversación normal, cuya presión sonora es de unos 0,030 Pa, la velocidad de las partículas es del orden de 0,00007 m/s. Este pequeño valor contrasta con el mucho más elevado de 344 m/s correspondiente a la velocidad de propagación de la onda sonora.

¿Por qué la velocidad del sonido disminuye a gran altura a pesar que la densidad del aire disminuye?

La velocidad del sonido en un gas depende directamente de la raíz cuadrada de la temperatura, como la temperatura disminuye con la altitud, es por ello que a grandes alturas la velocidad del sonido disminuya.

¿Por qué cuando el sonido se propaga en medios abiertos, su intensidad disminuye mucho al aumentar la distancia respecto a la fuente? ¿Cómo pudiera transmitirse el sonido de un lugar a otro con menor disminución de su intensidad?

El problema es que a medida que avanza, si es esférica la onda, hay muchas mas partículas que tienen que vibrar, por lo tanto la energía que le toca a cada partícula es menor. Pero si usas un altoparlante, la energía esta mas concentrada hacia delante, y el efecto de dispersión se nota menos, este efecto es usado en el laser (también que es bastante monocromático) y por eso también llegan lejos sin perder mucha potencia. Si transmitimos el sonido por un tubo, el sonido debe llegar mucho mas lejos aunque también se pierde en cada rebote, en este caso seria un fenómeno parecido a lo que pasa en una fibra óptica, que se usa para transmitir información con la luz.

¿Qué es la barrera del sonido y cómo se rompe?

La barrera del sonido es una barrera física que se presenta cuando un objeto se mueve a una velocidad igual o superior a la del sonido en un medio determinado, como el aire. Cuando un objeto se mueve a la velocidad del sonido o superior, se produce un efecto de compresión en el aire a su alrededor, lo que resulta en la generación de una onda de choque que se desplaza junto con el objeto. Esta onda de choque produce un ruido fuerte y característico, conocido como el "estallido sónico".

Para romper la barrera del sonido, un objeto debe moverse a una velocidad suficientemente alta para superar la velocidad del sonido en el medio en el que se está moviendo. Los aviones de combate modernos y algunos aviones comerciales pueden superar la velocidad del sonido, lo que les permite romper la barrera del sonido y producir un sonido estallido. Para hacerlo, el avión debe tener un diseño aerodinámico adecuado y un motor lo suficientemente potente para permitir que alcance velocidades supersónicas. La resistencia al aire y la fricción aumentan a medida que el objeto se acerca a la velocidad del sonido, por lo que es necesario superar una cantidad significativa de fuerza de resistencia para poder superar esta barrera.