Quelle est la vitesse du son?
Dans l'atmosphère terrestre, la vitesse du son est de 343 mètres par seconde; ou un kilomètre à 2, 91 par seconde ou un mile à 4, 69 par seconde.
La vitesse du son dans un gaz idéal ne dépend que de sa température et de sa composition. La vitesse dépend peu de la fréquence et de la pression de l'air ordinaire, s'écartant un peu du comportement idéal.
Quelle est la vitesse du son?
Habituellement, la vitesse du son fait référence à la vitesse à laquelle les ondes sonores se propagent dans l'air. Cependant, la vitesse du son varie en fonction de la substance. Par exemple, le son voyage plus lentement dans les gaz, plus vite dans les liquides et encore plus rapidement dans les solides.
Si la vitesse du son est de 343 mètres par seconde dans les airs, cela signifie qu'il se déplace à 1 484 mètres par seconde dans l'eau et à environ 5 120 mètres par seconde en fer. Dans un matériau exceptionnellement dur, comme le diamant par exemple, le son voyage à 12 000 mètres par seconde. C'est la vitesse maximale à laquelle le son peut voyager dans des conditions normales.
Les ondes sonores dans les solides sont composées d'ondes de compression - semblables aux gaz et aux liquides - et d'un type d'onde différent appelé ondes de rotation, présent uniquement dans les solides. Les ondes de rotation dans les solides se déplacent généralement à des vitesses différentes.
La vitesse des ondes de compression dans les solides est déterminée par la compressibilité, la densité et le module d'élasticité transversal du milieu. La vitesse des ondes de rotation n'est déterminée que par la densité et le module d'élasticité transversale du module.
Dans un fluide dynamique, la vitesse du son dans un milieu fluide, qu'il soit gazeux ou liquide, est utilisée comme mesure relative de la vitesse d'un objet se déplaçant à travers le milieu.
Le rapport entre la vitesse d'un objet et la vitesse de la lumière dans un fluide s'appelle le numéro de mars d'un objet. Les objets qui se déplacent plus rapidement que le 1er mars sont appelés objets se déplaçant à des vitesses supersoniques.
Des concepts basiques
La transmission du son peut être illustrée à l’aide d’un modèle composé d’une série de billes reliées entre elles par des fils.
Dans la vie réelle, les billes représentent les molécules et les fils représentent les liens qui les unissent. Le son traverse le modèle en comprimant et en dilatant les fils, transmettant de l'énergie aux billes voisines, qui à leur tour transmettent l'énergie à leurs fils, etc.
La vitesse du son à travers le modèle dépend de la rigidité des fils et de la masse des billes.
Tant que l'espace entre les billes est constant, les fils plus rigides transmettent l'énergie plus rapidement et les billes plus massives transmettent l'énergie plus lentement. Des effets tels que la diffusion et la réflexion peuvent également être compris avec ce modèle.
Dans tout matériau réel, la rigidité des fils s'appelle le module élastique et la masse correspond à la densité. Si toutes les autres choses sont égales, le son voyagera plus lentement dans les matériaux spongieux et plus rapidement dans les matériaux plus rigides.
Par exemple, le son se déplace 1, 59 fois plus rapidement à travers le nickel que le bronze car la rigidité du nickel est supérieure à la même densité.
De même, le son se déplace 1, 41 fois plus rapidement dans un gaz d'hydrogène léger (protium) que dans un gaz d'hydrogène lourd (deutérium), car le gaz lourd a des propriétés similaires mais une densité deux fois plus grande.
Dans le même temps, le son de type "compression" se déplacera plus rapidement dans les solides que dans les liquides et plus rapidement dans les liquides que dans les gaz.
Cet effet est dû au fait que les solides ont plus de difficultés à se comprimer que les liquides, tandis que les liquides, en revanche, sont plus difficiles à comprimer que les gaz.
Ondes de compression et ondes de rotation
Dans un gaz ou un liquide, le son consiste en ondes de compression. Dans les solides, les ondes se propagent à travers deux types d’ondes différents. Une onde longitudinale est associée à une compression et une décompression dans le sens du déplacement; c'est le même processus dans les gaz et les liquides, avec une onde de compression analogue dans les solides.
Seules les ondes de compression existent dans les gaz et les liquides. Un autre type d’onde, appelé onde transversale ou onde de rotation, n’apparaît que dans les solides, car seuls les solides peuvent supporter des déformations élastiques.
En effet, la déformation élastique du milieu est perpendiculaire à la direction de déplacement de la vague. La direction de la rotation déformée s'appelle la polarisation de ce type d'onde. Généralement, les ondes transversales se présentent sous la forme d'une paire de polarisations orthogonales.
Ces différents types d'ondes peuvent avoir différentes vitesses à la même fréquence. Par conséquent, ils peuvent atteindre un observateur à différents moments. Un exemple de cette situation se produit lors de tremblements de terre, où les ondes de compression aiguë arrivent en premier et les ondes transversales oscillantes arrivent quelques secondes plus tard.
La vitesse de compression des ondes dans un fluide est déterminée par la compressibilité et la densité du milieu.
Dans les solides, les ondes de compression sont analogues à celles rencontrées dans les fluides, en fonction de la compressibilité, de la densité et de facteurs supplémentaires du module d'élasticité transversal.
La vitesse des ondes de rotation, qui ne se produisent que dans les solides, est uniquement déterminée par le module d'élasticité transversal et la densité du module.
