¿Cuál es la presión mínima de un medio para la que puede existir una onda sonora?

Question

¿A qué presión las partículas de un medio no podrán formar una onda sonora al ser perturbadas? ¿Cómo se puede describir matemáticamente esta presión?

Mi suposición es que esto correspondería al punto en el que la fuerza restauradora debida a la presión es incapaz de crear una onda transversal y las partículas perturbadas viajan infinitamente lejos antes de que la onda hipotética alcance su amplitud. Pero no tengo ni idea de cómo empezar a encontrar un valor cuantitativo para este punto.

Answer 1

Obviamente no es un corte brusco, pero como guía general las ondas sonoras no pueden propagarse si su longitud de onda es igual o menor que el camino libre medio de las moléculas de gas. Esto significa que, incluso a presiones arbitrariamente bajas, el sonido se propagará siempre que la longitud de onda sea lo suficientemente larga. Es posible que estemos exagerando, pero incluso en las nubes de gas interestelares las ondas sonoras (más concretamente, las ondas de choque) se propagan, pero su escala de longitud es del orden de años luz.

Answer 2

Espero que no existe una presión mínima .

Una onda sonora es una onda de densidad. Si las partículas están cerca unas de otras, interactuarán debido a fuerzas fuertes como la fuerza de van der Waals y la fuerza de Coulomb. La reducción de la presión en un volumen constante conduce a grandes distancias entre las partículas.

Supongamos que las partículas tienen un gran distancia e ignoramos incluso las fuerzas aún más débiles, como la fuerza de gravedad. El gas se encuentra ahora en un equilibrio termodinámico . Entonces se crea una onda de choque presionando dos partículas entre sí. Esta onda de choque se moverá a través del medio y decaerá como se sabe de partículas a mayor presión. El velocidad de propagación del sonido aumentará con la presión.

Será difícil de medir, porque el efecto se solapa con el movimiento térmico aleatorio de las partículas. Pero eso es más bien un problema técnico.

Si le interesan estas cuestiones, debería echar un vistazo al El demonio de Maxwell experimento mental también.

Answer 3

Efectivamente cero, pero hace falta un esfuerzo mental para llegar ahí.

Cuando se trata de un gas, una presión más baja significa que hay un camino libre medio más largo, lo que significa que se puede esperar que los átomos/moléculas pasen cada vez más tiempo entre colisiones. Esto se consigue espaciando más las partículas (menor densidad) o ralentizándolas (menor temperatura). A medida que aumenta el tiempo entre colisiones, el sistema se parece más a un grupo de partículas que se mueven en una dirección que a un grupo de partículas "chapoteando" de un lado a otro. En este límite de presión cero, ya no se produce una propagación interesante de las ondas sonoras, y estoy bastante seguro de que esto es lo que guía tu intuición.

Los líquidos, en cambio, son muy prometedores. El helio líquido-II (helio superfluido) es muy extraño: puede fluir cuesta arriba para escapar de un contenedor y conducir el calor mejor que cualquier material conocido. Se considera que esta conducción del calor se realiza mediante el sonido, aunque es más probable encontrar el término "fonón" en la literatura. Los fonones pueden observarse a presiones de fluido muy bajas, lo que significa que el sonido puede propagarse a muy baja presión en este sistema.

Answer 4

En una cámara hipobárica se puede determinar empíricamente la altitud/presión a la que deja de propagarse el sonido. Basta con colocar un dispositivo emisor de sonido en la cámara con un micrófono. Un manómetro de mercurio en la cámara puede determinar la "altitud" a la que el sonido deja de transmitirse al micrófono.