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Velocidade do som: entenda como funciona e o que acontece se for ultrapassada

·7 min de leitura

Em condições normais, a velocidade do som na Terra é 345 m/s, mas esse valor não é uma constante. Assim como a velocidade da luz, a velocidade do som varia de acordo com o meio pelo qual as ondas sonoras viajam. Entretanto, ao contrário da luz, o som se propaga mais rapidamente em líquidos e sólidos do que no ar.

Velocidades de propagação do som

A velocidade de propagação sonora depende das condições de pressão e temperatura, e se as ondas estão atravessando algum material que não os gases atmosféricos. Na maioria dos casos, a velocidade em sólidos é maior, e nos líquidos a propagação é “intermediária”.

Para citar alguns exemplos, a velocidade de propagação do som no ar atmosférico a uma temperatura de 20 °C é de 343 m/s, que corresponde a 1.234,8 Km/h. Na água a 25 °C, a velocidade do som chega 1.493 Km/s, enquanto no vidro atinge incríveis 5.130 km/s.

Essa variação tão drástica ocorre porque as ondas sonoras dependem das partículas — um meio — para se propagar. As partículas se chocam com suas vizinhas e assim criam-se áreas de pressão semelhantes a ondas. Por isso, são chamadas de ondas mecânicas (diferente da luz, que é uma onda eletromagnética).

Em geral, as ondas sonoras têm maior facilidade para se propagar em sólidos e menor facilidade em gases, com os líquidos e fluidos como meio termo. Isso afeta diretamente a velocidade do som em cada um desses meios. Entre os fatores que “ditam” essas regras está a densidade, já que precisamos mover as partículas do meio para transmitir o som.

Duas maneiras de representar o som: através de ondas ou do movimento de partículas (Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons)
Duas maneiras de representar o som: através de ondas ou do movimento de partículas (Imagem: Reprodução/Wikimedia Commons)

Há outros fatores importantes, como a elasticidade, sem a qual as ondas não podem se propagar. Mas não deixe que a palavra engane: aqui, elasticidade é um termo acadêmico que indica uma propriedade. Toda matéria possui alguma elasticidade, mas uma borracha é muito mais elástica que o aço, por exemplo.

Quanto mais elástico for o meio, mais rápido o som se propagará por ele, já que a flexibilidade e capacidade de distorção do meio ajuda a transmitir as ondas mecânicas. A densidade, por outro lado, também tem uma relação com o peso das partículas. Por exemplo, partículas leves e compactas permitem velocidades mais altas de som, pois há menos espaço vazio que precisam percorrer para atingir seus vizinhos.

Entretanto, se essas partículas forem mais pesadas e mais dispersas, terão mais dificuldade de se moverem por causa das ondas sonoras, por isso a velocidade do som diminui. Ainda assim, a elasticidade tende a ter mais impacto na velocidade do som do que a densidade.

O hidrogênio, oxigênio e ferro são bons exemplos dessas relações. Os dois gases têm quase as mesmas propriedades elásticas, mas o hidrogênio é muito menos denso. Assim, a velocidade do som através dele é de 1.270 m/s, enquanto no oxigênio as ondas viajam apenas a 326 m/s. O ferro, embora muito mais denso do que os gases, também é muito mais elástico, e permite que o som viaje através de uma barra de ferro a 5.120 m/s.

Por fim, a velocidade do som é afetada também pela temperatura do meio. Por exemplo, as ondas se propagam a 330 m/s no ar a uma temperatura de 0 °C, e pode chegar a 700 m/s em uma temperatura de 1.000 °C.

Estrondo sônico — o famoso "sonic boom"

Avião supersônico forma o cone de vapor que surge ao voar na velocidade do som ou próximo dela (Imagem: Reprodução/Charles Caine/Flickr/Creative Commons 2.0)
Avião supersônico forma o cone de vapor que surge ao voar na velocidade do som ou próximo dela (Imagem: Reprodução/Charles Caine/Flickr/Creative Commons 2.0)

O estrondo sônico acontece quando algo se move mais rápido do que a velocidade máxima que as partículas de um meio podem atingir. Isso significa que o fenômeno exige diferentes velocidades para diferentes tipos de meio.

Quando algo se move a certa velocidade, uma série de ondas sonoras se formam no ar à frente e atrás do objeto. Se ele superar o limite de velocidade das partículas, essas ondas se juntam em uma única onda de choque, que viaja na velocidade crítica conhecida como Mach 1 — aproximadamente 1,225 km/h, ao nível do mar e à temperatura de 15 ºC.

Usando um avião supersônico como exemplo, é como se o ar à frente dele não pudesse se deslocar rápido o suficiente para sua passagem, já que as partículas dos gases atmosféricos não podem se mover mais rápido. Esse ar comprimido e em movimento (por causa das ondas que se formam) é expelido do nariz da aeronave.

O problema com os aviões supersônicos é que essas ondas de impacto (ou sons estrondosos) podem estremecer as casas e prédios nas proximidades dos voos, estourando janelas e colocando pessoas em risco. Por isso, essa velocidade é proibida para voos em países como os EUA e na União Europeia.

A "anatomia" do estrondo sônico. À medida que o avião acelera, empurra e aumenta a pressão do ar à sua frente e, ao ultrapassar a velocidade do som, torna-se mais rápido que as ondas (Imagem: Reprodução/Chabacano/Wikimedia Commons)
A "anatomia" do estrondo sônico. À medida que o avião acelera, empurra e aumenta a pressão do ar à sua frente e, ao ultrapassar a velocidade do som, torna-se mais rápido que as ondas (Imagem: Reprodução/Chabacano/Wikimedia Commons)

Além disso, estudos afirmam que estrondos sônicos ocorridos em testes da marinha estadunidense causaram em oficiais uma doença vibroacústica que resulta no espessamento do tecido cardíaco. Ainda não há um consenso na comunidade científica sobre esse risco.

Mas há um modo de atingir velocidades supersônicas sem explodir as janelas da vizinhança e sem expor ninguém ao perigo: viajar através de um vácuo ou ar em baixa pressão. Nessas condições, o som não se propaga, ou se propaga muito pouco, por isso não haverá estrondos para ouvir ou sacudir as propriedades.

Número Mach

Os engenheiros aeronáuticos usam a escala Mach para determinar o tipo de velocidade de um avião, podendo ser:

  • Subsônica, ou 0 < M < , se a aeronave se move muito mais devagar do que a velocidade do som;

  • Transônica, ou M ~ 1, se a aeronave se move perto da velocidade do som

  • Supersônica, ou 1 < M < 3, se a aeronave ultrapassa a velocidade do som.

  • Hipersônica, ou M > 5, se o avião se move mais de cinco vezes a velocidade do som.

Nas condições hipersônicas, o ar aquecido pelo veículo se torna um plasma ionizado de gás e a espaçonave deve ser isolada das altas temperaturas, como era o caso dos ônibus espaciais da NASA ao reentrar na atmosfera.

Novamente, a velocidade exata para um avião atingir cada um desses níveis Mach dependerá das condições atmosféricas, como a temperatura. Em regiões mais frias, por exemplo, as partículas se movem mais devagar, então a velocidade do som é menor e, por consequência, o avião terá menor dificuldade de atingi-la.

Velocidade do som no espaço

Será que poderíamos ouvir sons em Marte? (Reprodução: Nicolas Lobos/Unsplash)
Será que poderíamos ouvir sons em Marte? (Reprodução: Nicolas Lobos/Unsplash)

Se o som depende de partículas, ele não pode se propagar no vácuo. Portanto, não existe uma velocidade do som no espaço, mas pode haver em corpos celestes. As estrelas, por exemplo, são objetos turbulentos onde os movimentos de convecção — entre outros fenômenos — geram ondas de som.

Na Terra, ondas geradas no interior do planeta são chamadas de ondas sísmicas. Mas, nas estrelas, as ondas de natureza semelhante “ressoam” continuamente, devido aos movimentos convectivos no interior do corpo gasoso e da rotação do núcleo. As ondas sonoras de frequência mais altas no Sol são facilmente detectadas pelos cientistas por se espalharem pelas camadas superiores.

Em outros planetas, a propagação e velocidade do som dependerá do tipo de gás presente na atmosfera. Em Marte, por exemplo, a atmosfera é bastante fina, além de ter outra composição. A propagação do som por lá fica em torno de 244 m/s, de acordo com esta calculadora de Mach e velocidade do som da NASA.

Já na Lua, o vácuo é quase total, por isso não há propagação de som. Se você estiver lá quando a próxima missão lunar pousar na superfície do nosso satélite natural, provavelmente não ouvirá nenhum barulho de metal encostando no solo — mas ainda poderá se comunicar através do microfone em seu capacete, devido à pressurização e oxigenação do traje.

Fonte: Canaltech

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