Velocidade do som

Velocidade do som é a rapidez que o som, que é uma perturbação do meio e classificado como uma onda mecânica, tem para percorrer um espaço em determinado tempo.

Representação do som, uma onda mecânica que precisa de um meio para se propagar.
Representação do som, uma onda mecânica que precisa de um meio para se propagar.

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.

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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:

Fórmula para o cálculo da velocidade do som.

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.

Ilustração da propagação do som nos meios gasoso, líquido e sólido.
O som se propagando em diferentes meios físicos: gasoso, líquido e sólido. Da esquerda para direita, a velocidade do som vai aumentando.

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:

Fórmula para o cálculo da velocidade do som levando-se em conta a temperatura 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):

Cálculo da velocidade do som utilizando como exemplo uma temperatura de 313,15 K.

Tabela com a velocidade do som em diferentes meios:

Material

Velocidade do som (m/s)

Ar (25°)

346,3

Água (25°)

1493

Alumínio (20°)

5100

Aço

6000

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 (Vs).

Fórmula para o cálculo do mach de objetos supersônicos.

M: mach

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

Vs: 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.

Foto de um equipamento de ultrassom durante exame na mão de uma profissional da saúde.
Equipamento de ultrassom, capaz de emitir frequências sonoras não perceptíveis pelos ouvidos humanos.

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.

Ilustração de ambulância exemplificando o efeito doppler.
Efeito doppler: ao se aproximar do observador, a frequência de onda da fonte aumenta; já quando o observador se afasta da fonte, a frequência diminui.

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.

 Imagem de um avião ultrapassando a barreira do som.
Avião supersônico (aeronave capaz de ultrapassar a velocidade do som) no instante em que a barreira contra o som é quebrada.

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.  

Por: Gabriela de Oliveira

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