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Sabemos que la velocidad de la luz parece ser el límite superior de qué tan rápido puede viajar algo en el universo. Pero hay un límite de velocidad mucho más bajo que solo recientemente (en el gran esquema de las cosas) logramos superar aquí en la Tierra: la velocidad del sonido.

Cono de vapor (o collar de choque) alrededor de un luchador a medida que se acerca a la velocidad del sonido.
Créditos de la imagen Flickr/Charles Caine.

Ya ha escuchado el término antes, e incluso puede saber su valor exacto o, más exactamente, los valores.

Pero, ¿por qué exactamente el sonido tiene una velocidad? ¿Es igual en todas partes? ¿Y qué pasa si te pasas del límite? Bueno, una cosa es segura: el sonido no te multará por ello. Sin embargo, provocará un gran estruendo para marcar la ocasión, porque superar la velocidad del sonido no es algo fácil de lograr.

En la atmósfera terrestre, el sonido puede viajar a unos 345 metros por segundo. Echemos un vistazo a por qué existe este límite, qué dice que debería ser así y por qué las cosas explotan cuando lo superas. Pero primero, comencemos con lo básico:

¿Qué es una onda de sonido?

Lo que percibimos como sonido es en realidad movimiento. El sonido es, fundamentalmente, un movimiento o vibración de partículas, más comúnmente aquellas en la atmósfera, donde hablamos y emitimos la mayor parte del sonido.

A grandes rasgos, cualquier objeto en movimiento entrará en contacto con las partículas de su entorno. Tomemos hablar como un ejemplo. Cuando alguien habla, sus pulmones chocan y expulsan aire que sus cuerdas vocales modulan para crear ciertos sonidos. Esto empujará el aire en su vecindad inmediata, lo que hará que sus moléculas choquen con las moléculas de aire más alejadas, y así sucesivamente, hasta que el movimiento llegue a las partículas de aire a tu lado. Luego chocarán con sus tímpanos, lo que se traduce en la sensación de sonido.

Dos formas de representar la física del sonido. Las áreas con más puntos (correspondientes a picos) muestran alta presión de aire, mientras que las áreas más blancas (correspondientes a canales) muestran áreas de baja presión que interactúan para crear sonido. Esta presión es generada por el aire en movimiento.
Imagen vía Wikimedia.

Entonces, desde un punto de vista físico, el sonido se comporta como las olas en una playa. Su volumen está dirigido por la altura de la ola (amplitud) y su tono está formado por la frecuencia con la que estas olas golpean la costa (frecuencia). Cuanto más lejos viaja una onda, menos energía tiene (por lo tanto, menos presión puede ejercer sobre las nuevas partículas), razón por la cual eventualmente el sonido se apaga y no podemos escuchar algo al otro lado del mundo. Más sobre sonidos aquí.

La velocidad del sonido es esencialmente la velocidad a la que estas ondas acústicas pueden viajar a través de una sustancia. Lo que nos lleva claramente al papel que juegan aquí estas sustancias (llamadas el medio).

No todas las cosas son iguales

La fuente del sonido solo juega un papel limitado en su propagación. La propagación del sonido depende casi por completo del medio.

Créditos del video Usuario de Reddit renec112.

En primer lugar, esto significa que el sonido no puede propagarse a través del vacío, ya que no hay nada que lo transporte. Un ejemplo útil es que en el espacio nadie puede oírte gritar; pero si colocas tu visera en la visera de otro astronauta, lo harán. En segundo lugar, un medio no puede transportar sonido a menos que tenga cierta elasticidad, aunque esto es más un punto académico ya que todos los materiales son elásticos hasta cierto punto. El corolario de esto es que cuanto más elástico sea nuestro medio, más rápido viajará el sonido a través de él.

La elasticidad es el producto de dos características: la capacidad de resistir la deformación (su módulo elástico o rigidez) y cuánto puede alterarla antes de que deje de volver a su forma original (su límite elástico o flexibilidad). El acero y el caucho son muy elásticos, pero el primero es rígido mientras que el segundo es flexible.

La densidad tiene una relación un poco más complicada con la velocidad del sonido. La densidad es básicamente una medida de cuánta materia hay en un espacio determinado. Por un lado, las partículas livianas y compactas permiten velocidades de sonido más altas, ya que hay menos espacio vacío por el que necesitan viajar para golpear a sus vecinos. Pero si estas partículas son pesadas y están más separadas, disminuirán la velocidad del sonido (ya que las partículas grandes y pesadas son más difíciles de mover). El sonido también se atenuará más rápido a través de este último tipo de material. En general, las propiedades elásticas tienden a tener más impacto en la velocidad del sonido que en la densidad.

Un ejemplo básico involucra hidrógeno, oxígeno y hierro. El hidrógeno y el oxígeno tienen casi las mismas propiedades elásticas, pero el hidrógeno es mucho menos denso que el oxígeno. La velocidad del sonido a través del hidrógeno es de 1.270 metros por segundo, pero solo de 326 m/s a través del oxígeno. El hierro, aunque mucho más denso que cualquiera de ellos, también es mucho más elástico. El sonido que viaja a través de una barra de hierro puede alcanzar hasta 5120 m/s.

Otra cosa a tener en cuenta aquí es que los fluidos solo transportan el sonido como ondas de compresión (partículas que chocan entre sí en la dirección en que se propaga la onda). Los sólidos lo transportan como ondas de compresión y de corte (perpendiculares a la dirección de propagación). Esto se debe a al hecho de que no se pueden cortar fluidos con un cuchillo (tienen un módulo de corte de 0).Las moléculas de un fluido pueden moverse demasiado libremente unas de otras para que tales movimientos creen tales ondas.

estampido supersónico

Hasta ahora hemos visto que el sonido tiene una velocidad máxima a la que puede viajar, según el material a través del cual se propaga. Por viajar, nos referimos a partículas que chocan con sus vecinas creando áreas de presión similares a ondas.

Entonces, ¿qué sucede cuando algo se mueve más rápido que la velocidad que pueden alcanzar estas partículas? Bueno, obtienes un estampido sónico, por supuesto.

Imágenes en cámara lenta de una bala que viaja a través de gel balístico. Observe cómo la bala empuja el gel en el medio antes de que sus bordes y esquinas tengan tiempo de moverse. El proceso es muy similar a cómo los aviones forman explosiones sónicas. Puedes ver la mesa de metal doblarse bajo la presión. Ese impacto corresponde a un transeúnte que percibe el estampido sónico después de que la bala los haya atravesado.
Imagen vía YouTube.

A pesar del nombre, los estampidos sónicos son más como gritos sónicos. Cuando un objeto se mueve más rápido de lo que el sonido puede viajar en su entorno, genera un sonido similar al de un trueno. Dependiendo de qué tan lejos esté la fuente, este boom es lo suficientemente fuerte como para dañar estructuras y romper ventanas.

Un avión que se mueve más rápido que la velocidad del sonido comprimirá el aire frente a él, ya que este aire solo puede moverse a la velocidad del sonido. No puede salir físicamente del camino lo suficientemente rápido. Eventualmente, todo este aire comprimido y en movimiento (que es, en esencia, sonido) es expulsado de la nariz del avión a Mach 1 (la velocidad del sonido a través del aire). Si alguien está lo suficientemente cerca como para ser alcanzado por esta ráfaga de aire ultrapresurizado, escucha el estampido sónico.

Aunque un observador estático lo percibe como un estallido de sonido extremadamente fuerte, el estampido sónico es un fenómeno continuo. Mientras un objeto se mueva más rápido que el sonido, seguirá creando esta área de aire ultracomprimido y dejará una estela continua a su paso. Un hecho ingenioso sobre los estampidos sónicos es que no puedes escucharlos venir, se mueven más rápido que el sonido, por lo que solo puedes escucharlos después de que te hayan pasado.

Los humanos han superado recientemente la velocidad del sonido, con el primer vuelo supersónico registrado en 1947. Desde entonces, tales vuelos han sido prohibidos sobre tierra firme en los EE. UU. y la UE, para proteger a las personas y la propiedad (aunque todavía pueden ser realizado con la debida autorización). Sin embargo, viajar más rápido que el sonido sigue siendo un objetivo atractivo. Una forma de permitir velocidades supersónicas sin volar todas las ventanas del vecindario es viajar a través de un vacío o aire a baja presión, una idea fundamental del Hyperloop.

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