¿Por qué las ondas mecánicas tienen una velocidad limitada y por qué la velocidad del sonido en particular?

Una onda es un oscilador: implica una fuerza deformante y una fuerza que devuelve el material deformado a su forma original.

Un buen ejemplo es un resorte en espiral. Los resortes se deforman en proporción directa a la cantidad de fuerza ejercida. La ecuación se llama Ley de Hooke y se ve así:

Ks = F

Donde s es la distancia que tiraste del resorte, y F es la fuerza que tomó para tirar tan lejos. K es un valor llamado rigidez del resorte, y convierte la fuerza en una distancia. La rigidez a su vez depende del material y, por lo tanto, de las fuerzas electromagnéticas entre las moléculas y los átomos que componen el material. (Este es un concepto al que volveremos en un momento).

Pero la ecuación es importante. Significa que cuanto más tiempo tire del resorte, más fuerza tendrá que ejercer para mantenerlo allí. Si comienza el resorte en una posición cero y tira con una fuerza constante suspendiendo un peso, entonces el resorte se estirará hasta un punto donde la fuerza del resorte es suficiente para evitar que el peso caiga aún más. Pero el peso ya tiene un impulso, y el resorte tiene que ejercer aún más fuerza para reducir la velocidad del peso, por lo que el peso supera la distancia s, se detiene y vuelve a comenzar. Por supuesto, ahora el resorte está acelerando el peso ya que se estira más que la distancia s, y el peso nuevamente tiene impulso a medida que pasa la distancia s. Ahora el resorte ya no acelera el peso, pero la gravedad lo empuja hacia abajo nuevamente, por lo que el peso disminuye hasta que vuelve a la posición cero y luego comienza a caer nuevamente. Si ignora la fricción, esto continuará sin fin. Se llama oscilador armónico.

Encontraría que si traza cuánto tiempo se extiende la primavera con el tiempo, obtiene una forma de onda. El número de picos y valles en la onda en una unidad de tiempo se llama frecuencia de onda, por ejemplo, 1 rebote por segundo, y descubrirá que es proporcional a la raíz cuadrada de la rigidez del resorte e inversamente proporcional a la raíz cuadrada. de la * masa * del peso. Si cuadruplicara la rigidez del resorte obtendría el doble (dos es la raíz cuadrada de cuatro) la frecuencia del resorte original, y si cuadruplicara el peso en el resorte, obtendría la mitad (el inverso de dos es la mitad ) la frecuencia del peso original.

Si colgó el resorte en un elevador, encontrará que aunque la fuerza ejercida por el peso y la amplitud del movimiento del resorte cambian a medida que el elevador arranca y se detiene, la frecuencia de las oscilaciones no lo hace.

Entonces, no solo es importante tener en cuenta que solo la masa suspendida determina la frecuencia de las oscilaciones de un resorte dado, sino que ningún otro factor determina la frecuencia . No es la cantidad con la que tira del resorte para comenzar (amplitud), o si comenzó a rebotar el resorte tirando de él con el dedo o utilizando algún dispositivo, o cualquier otra variable que pueda introducir, antes de cambiar el resorte en sí.

Por lo tanto, resulta que un resorte oscilante es un buen modelo para todas las ondas * longitudinales * en sólidos, líquidos y gases. Como podemos ver, la frecuencia depende solo de la masa suspendida, pero para estas ondas longitudinales en un material homogéneo, la masa es constante, solo la masa de las propias moléculas que se mueven. La rigidez del resorte nuevamente está determinada por las fuerzas electromagnéticas que mantienen las moléculas en su lugar. Por lo tanto, es fácil ver (suponiendo que el modelo sea cierto) que, dado que la frecuencia de un resorte que rebota es constante, entonces la frecuencia de las ondas en un material será constante. Lo llamamos la velocidad del sonido, pero eso se debe a que el primer material obvio donde medimos la propagación de las ondas fue en el aire. El término correcto debería ser la velocidad de propagación de ondas longitudinales.

Todas las ondas mecánicas longitudinales viajan a la velocidad del sonido. Es decir, todas las ondas mecánicas que implican compresión en la dirección del viaje deben viajar a la velocidad del sonido. Si lo piensas, esas ondas mecánicas SON sonido.
Imagina que pones tu tímpano en la superficie. La membrana timpánica vibra junto con las compresiones, e interpretas esas vibraciones como sonido.

Entonces, ¿qué pasa con las ondas transversales / de corte? Sabemos que pueden viajar más despacio que la velocidad del sonido. La velocidad del sonido está determinada por la compresibilidad del medio, así como por el módulo de corte y la densidad del medio. La velocidad de una onda de corte está determinada por el módulo de corte y la densidad del medio solo. Si tiene paciencia para leer detenidamente, lea este artículo de Wikipedia: Velocidad del sonido

Cuando golpeas un objeto, estás apretando el extremo cercano de él, y esa onda expansiva de apretar solo puede viajar por los átomos cercanos que empujan los siguientes, y así sucesivamente. Pero los átomos tienen un poco de masa, así que cuando el primero empuja, el siguiente en línea solo reacciona lentamente, y así sucesivamente. Es como si estuvieras empujando un auto. Puedes subirlo a cierta velocidad, pero lleva un tiempo. Lo mismo con sólidos, líquidos y gases.

Realmente no lo se. Sé que el sonido es transportado por un movimiento de moléculas en la dirección del sonido como una oscilación longitudinal, que la velocidad a través del gas del sonido dependerá de la densidad del gas, la naturaleza de la molécula de gas, etc. , pero lo que da el valor específico de la velocidad del sonido en NTP en Nitrógeno, por ejemplo, no lo sé.

Una vez que comience a presionar este, se pueden obtener todo tipo de resultados interesantes al examinar una onda de choque, incluida la forma en que las presiones de gas a ambos lados de una onda de choque pueden ser significativamente diferentes.

La Tierra se mueve con velocidad de la luz en relación con el sol (i)

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