La velocità del suono è la rapidità con cui le onde sonore si diffondono attraverso un mezzo, come l’aria, l’acqua o altri materiali. Questa velocità varia in base al mezzo utilizzato e alle condizioni di temperatura e pressione presenti.
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Il suono è una perturbazione meccanica che si propaga attraverso un mezzo, solitamente l’aria, viaggiando a una certa velocità e possedendo specifiche caratteristiche come frequenza e lunghezza d’onda.
Questa onda sonora viene generata da un oggetto vibrante che mette in oscillazione le molecole dell’aria, risultando in un fenomeno caratterizzato da ampiezza, periodo, frequenza, velocità di propagazione e lunghezza d’onda.
L’udito umano è capace di percepire onde sonore con frequenze comprese tra circa 20 Hz e 16.000 Hz, e a seconda della frequenza, i toni percepiti variano. Toni più bassi corrispondono a frequenze minori, mentre toni più alti sono associati a frequenze maggiori.
Per comprendere se la velocità del suono è superiore o inferiore a quella della luce, possiamo fare riferimento all’esperienza comune di vedere un lampo molto prima di udire il tuono, un fenomeno che dimostra chiaramente come la velocità del suono sia inferiore a quella della luce.
Nel 1687, lo scienziato inglese Sir Isaac Newton fu il primo a calcolare la velocità del suono, ottenendo un valore che si discostava di circa il 15% dal valore reale. Nei secoli successivi, numerosi scienziati hanno tentato di migliorare la precisione di queste misurazioni, ottenendo risultati sempre più accurati grazie a tecniche e strumenti avanzati.
Nel 1709, lo scienziato inglese William Derham pubblicò una misura accurata utilizzando un telescopio dalla torre della chiesa di St Laurence a Upminster. Derham osservò il lampo di un fucile lontano mentre veniva sparato e successivamente misurò il tempo che intercorreva fino a quando sentiva lo sparo, utilizzando un pendolo.
Formulazione matematica della velocità del suono
È definita come la distanza percorsa da un’onda sonora nell’unità di tempo mentre si propaga attraverso un mezzo. A una temperatura di 20 °C nell’aria, la velocità del suono è di 343,2 m/s, equivalenti a 1.236 km/h.
La velocità del suono per un mezzo uniforme è determinata dal suo modulo di compressibilità e dalla sua densità.
Il modulo di compressibilità, o modulo di bulk, di una sostanza è una misura della resistenza che essa oppone alla compressione. Esso viene definito come il rapporto tra un incremento infinitesimale della pressione e la conseguente diminuzione relativa del volume.
La velocità del suono in un gas è influenzata dalla costante universale dei gas e dalle specifiche proprietà del gas stesso. Nello stato gassoso, le molecole sono libere di muoversi e altamente comprimibili, quindi le onde sonore si propagano lentamente attraverso di esso. In condizioni adiabatiche, la velocità del suono è correlata a:
- indice adiabatico γ dato dal rapporto tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costanteCp/ CV
- costante universale dei gas R pari a 8.314 J/mol·K
- temperatura assoluta R
- massa molecolare M
Fattori che influenzano la velocità del suono
La temperatura è uno dei fattori che influenza la velocità del suono infatti il calore, come il suono, è una forma di energia cinetica. Le molecole a temperature più elevate possiedono una maggiore energia, consentendo loro di vibrare più rapidamente e permettendo alle onde sonore di propagarsi più velocemente.
Altri fattori da considerare sono l’umidità e la pressione atmosferica. La velocità del suono nell’aria aumenta con l’incremento dell’umidità, poiché l’aria umida ha una densità inferiore rispetto all’aria secca.
Quando la densità del mezzo diminuisce, la velocità del suono nel mezzo aumenta, risultando quindi maggiore nell’aria umida rispetto all’aria secca. A temperatura costante, la velocità del suono non è influenzata dalla pressione. Pertanto, un aumento della temperatura del mezzo comporta un incremento della velocità del suono.
