El sonido es una manifestación de la materia que se mueve de manera cíclica, es decir, las cosas que se mueven hacia adelante y hacia atrás 440 veces por segundo sonarán como un tono de sintonía de concierto. Hay diferentes mecanismos para que esto suceda.
En el aire, tiene distintas moléculas de gas (O2, N2, CO2, Ar, etc.) que se mueven continuamente, golpean otras moléculas, rebotan, se mueven, golpean otra molécula, rebotan, etc. La “trayectoria libre media”, la distancia que un la molécula viaja antes de golpear algo, es del orden de 65 nanómetros a una atmósfera y temperatura ambiente. Cuando las moléculas golpean un objeto sólido a la misma temperatura, rebotan con, en promedio, la misma energía. Cuando haces un ruido, el movimiento del objeto vibrante empuja contra las moléculas de aire. Dado que la superficie se mueve hacia las moléculas, como una bola de un murciélago, las moléculas rebotan en la superficie con un poco de energía adicional (velocidad). Viajan, en promedio, algunas decenas de nanómetros y luego golpean otras moléculas. Dado que existe un impulso neto más alto para el grupo, las moléculas que son golpeadas también retroceden con algo de energía extra neta, y el impulso se aleja de la superficie. Incluso con estas distancias muy cortas, esto comprime el aire ligeramente. En el siguiente medio ciclo del objeto que vibra, la superficie se aleja del aire. Las moléculas que rebotan se ralentizan un poco, alcanzan a sus moléculas vecinas un poco más lentamente. La presión del aire en esa pequeña región cae. Macroscópicamente, en el aire, una onda de sonido se ve como regiones alternas de mayor y menor presión que se alejan del objeto que vibra. La velocidad a la que viaja la onda está determinada por la constante de tiempo de cuán rápido viajan las moléculas y con qué frecuencia se topan con moléculas frente a ellas, empujando la región de compresión hacia adelante. En el aire, esa velocidad suele ser de unos 1500 metros por segundo.
En un sólido, como el acero, los átomos están unidos entre sí con enlaces moleculares, ya sean metálicos, covalentes, iónicos o lo que sea que tenga. Los enlaces tienen una longitud característica que separa los átomos. Empujarlos más cerca y la repulsión electrostática empuja hacia atrás. Separarlos y el cambio de energía de enlace (o correr hacia un átomo en la otra dirección) tira de las cosas más cerca. Piense en el material como un montón de pesas conectadas entre sí con resortes. Pueden ser resortes duros y rígidos, o pueden ser resortes blandos y húmedos (estoy hablando de Slinkies (TM) aquí).> Empujo rápidamente hacia adentro y hacia afuera al final de uno de esos enlaces de tipo slinky, voy a observe cómo se comprime una parte de ella, y luego esta región comprimida viajará lentamente a lo largo del resorte. Toma un tiempo llegar al otro extremo (es decir, transmitir el impulso del movimiento de mi mano). Por otro lado, si la otra red de resortes y pesas está hecha con resortes helicoidales de la suspensión en un Jeep, entonces empujas un extremo, el resorte no se comprime apenas, al menos tan lejos como puedas. ver, y el otro extremo se mueve de inmediato. Es decir, el impulso se mueve muy rápido.
Si tengo algo como el acero, es duro, rígido, resistente a ser doblado o cambiado de forma. Lo que eso significa a nivel atómico es que los enlaces entre todos esos átomos en el acero son realmente resortes súper rígidos. Intenta moverlos incluso un poco y retroceden con mucha fuerza. Eso es lo que se traduce en ‘duro’ y ‘rígido’ en el mundo macro. Si pongo un extremo de la varilla de acero contra mi oreja y golpeo el otro extremo (suavemente) con un martillo, la alta rigidez transmite esa onda de energía elástica a mi oído muy rápidamente. Mucho más rápido que la dinámica de colisión de moléculas del aire.
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Las velocidades de sonido más altas ocurren en materiales que tienen enlaces realmente rígidos y átomos bastante ligeros. En acero, es del orden de 6 km / seg. Los grandes átomos de hierro pesados tienen que ser movidos: más retraso de los grandes átomos pesados ralentizando el flujo de energía. Pero, he aquí, ¿cuál es el material más duro en la mayoría de las tablas de dureza? Diamante. Átomos de carbono agradables, bastante ligeros, enlaces cortos, súper rígidos correspondientes a alta dureza). Velocidad acústica: 12 km por segundo. (hipotéticamente, fuera de los posibles núcleos gigantes de gas, últimamente no he encontrado diamantes de km de largo 🙂. E incluso un poco mejor – berilio (uno más ligero que el carbono en la tabla periódica). Velocidad acústica 12.8 km / seg.