No hay sonido en el espacio porque no hay suficientes partículas para transmitir la onda de presión. Pero, ¿y en la atmósfera, donde sólo hay un poco de aire? ¿El sonido se movería más rápido, más despacio o a la misma velocidad? ¿Aumentaría, disminuiría o se mantendría la intensidad (es decir, el volumen)? ¿Y la frecuencia subiría, bajaría o se mantendría igual al viajar por el espacio?
Respuestas
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Benjamin
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¿El sonido se movería más rápido, más despacio o a la misma velocidad?
En general, sería más lento. La velocidad de los sonidos NO depende de la presión, pero aumenta con la temperatura. Como a mayor temperatura, menor será la velocidad del sonido. A -70C es de unos 285 m/s, frente a los 343 m/s a temperatura ambiente.
En Marte sería aún más lento, ya que el gas predominante es el dióxido de carbono y no el nitrógeno.
¿Subiría, bajaría o se mantendría la intensidad (es decir, el volumen)?
Esto depende un poco de cómo se cree el sonido en primer lugar, pero para la mayoría de las fuentes de sonido bajará. La mayoría de las fuentes son de velocidad volumétrica, es decir, las cosas se menean y mueven X volumen de gas por segundo. En el campo lejano, la presión resultante está relacionada con la impedancia de campo del medio: $Z_m = \rho c$ donde $\rho$ es la densidad y $c$ es la velocidad del sonido. La densidad disminuye con la presión y tanto la densidad como la velocidad del sonido disminuyen con la temperatura. La intensidad es el producto de la presión y la velocidad de las partículas y será significativamente menor.
¿Y la frecuencia subiría, bajaría o se mantendría igual por el espacio?
Depende de nuevo de la fuente de sonido. Si el cono de un altavoz se mueve 100 veces por segundo, también lo harán las moléculas de aire y el tímpano. Sólo se produciría un cambio de frecuencia si el propio gas formara parte de la fuente de sonido (por ejemplo, un tubo de órgano o una flauta).
Sinister Cutlass
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Para añadir algunas cosas a la gran respuesta de Hilmar, la velocidad del sonido en un gas ideal (que es una buena aproximación a nivel del mar y aún mejor más arriba donde la atmósfera es más delgada) es
$$c = \sqrt{\frac{\gamma k}{m} T},$$
donde $\gamma$ es el índice adiabático (y $\gamma \approx 1.4$ para gases de dos moléculas atómicas), $k = 1.380649 \times 10^{−23}\,\text{J/K}$ es la constante de Boltzmann, $m$ es la masa molecular media, y $T$ es la temperatura en grados Kelvin. Así, podemos ver que la velocidad del sonido va con la raíz cuadrada de la temperatura, dado que la mezcla de gases es la misma. A medida que la temperatura disminuye en la atmósfera, también lo hace la velocidad del sonido.
Como esta ecuación depende de las ecuaciones de la mecánica de fluidos, se mantiene mientras se mantenga la mecánica de fluidos. Sin embargo, la mecánica de fluidos supone que un fluido es un continuación Es decir, una masa continua de materia de la que ignoramos que está formada por moléculas. A medida que la atmósfera se hace más fina, las moléculas están más separadas, y la hipótesis del continuo empieza a romperse.
El grado de cumplimiento de la hipótesis del continuo viene descrito por el Número de Knudsen ,
$$\mathrm{Kn} = \frac{L_\mathrm{mfp}}{L}, $$
donde el camino libre medio $L_\mathrm{mfp}$ es la trayectoria media que recorre una molécula entre colisiones con otras moléculas, y $L$ es una longitud que depende de su problema. En nuestro caso, estamos viendo la propagación del sonido, y $L$ suele ser una longitud de onda representativa de nuestra onda. Esto significa que la ecuación anterior para la velocidad del sonido deja de ser válida cuando la frecuencia es extremadamente alta (de modo que la longitud de onda es extremadamente corta) o el gas es extremadamente fino.
Entonces, ¿puede propagarse el sonido en gases muy finos, como las capas más altas de la atmósfera? La respuesta es sí. En las décadas de los 50 y 60, personas como Wang-Chang, Uhlenbeck, y Foch y experimentalmente por gente como Meyer, Sessler y Greenspan . Incluso para gases extremadamente finos, en los que $\mathrm{Kn} \gg 1$ puede haber propagación del sonido, aunque el sonido se atenúa muy rápidamente con la distancia de propagación, y la velocidad del sonido cambia con $\mathrm{Kn}$ además de la temperatura. Para $\mathrm{Kn} \gg 1$ (es decir, en gases extremadamente finos), las mediciones en gases nobles muestran que la velocidad del sonido es aproximadamente el doble de la de $\mathrm{Kn} \ll 1$ a la misma temperatura.
Stewie Griffin
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La velocidad del sonido a nivel del mar en un día muy suave es de 767 mph, pero varía ligeramente según la temperatura y la presión barométrica. La velocidad del sonido es menor en aire caliente o en altitud, porque depende de la densidad del medio. A 15.000 metros de altitud, es de sólo 659 mph. Para los aviones, la velocidad del sonido se conoce como Mach 1, que variará según la altura y otros factores. Un avión que vuela a Mach 2 lo hace al doble de la velocidad del sonido. La velocidad del sonido es importante para los aviones porque las características de vuelo de un avión cambian a partir de lo que solía llamarse "la barrera del sonido", es decir, a unas 767 mph a nivel del mar. De hecho, se producen cambios drásticos poco antes de alcanzar la velocidad del sonido, pero los aviones supersónicos modernos están diseñados para hacer frente a esta situación. La intensidad del sonido también varía con la altitud. En Marte el aire es muy fino, más o menos el mismo que a unos 100.000 pies en la Tierra. En Marte habría que llevar un casco espacial si se caminara al aire libre, pero a menudo me he preguntado si sería posible oír algo si se utilizara una radio o algún otro generador de sonido, como un martillo de geólogo, por ejemplo, no muy lejos.
Cleonis
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(Esto no es una respuesta, es que es demasiado grande para un comentario)
Resulta que hace un par de días Derek Muller (canal youtube de educación científica: Veritasium) publicó un vídeo sobre el próximo Helicóptero Mars .
La elevación la proporcionan dos rotores contrarrotatorios de 1,2 de diámetro.
Los rotores del helicóptero Mars giran a 2.500 rpm
Las pruebas se realizan en una cámara de vacío de varios metros de diámetro para reproducir la densidad y composición de la atmósfera de Marte.
En el vídeo se oye un sonido bastante fuerte cuando el helicóptero está en vuelo. (Enlace a la parte relevante del vídeo: el sonido del helicóptero de Marte )
(Sin embargo, no me queda claro si se trata de sonido captado por un micrófono situado dentro de la cámara de vacío, o que el sonido es fuerte incluso fuera de la cámara de vacío).
