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Físicos descobrem velocidade máxima do som

Velocidade do som

Pesquisadores descobriram como partir dos princípios básicos da física para calcular qual é a velocidade máxima que o som pode alcançar.

Até hoje ninguém sabia se as ondas sonoras teriam um limite superior de velocidade, a exemplo do que acontece com a luz - as teorias de Einstein estabelecem que a velocidade máxima da luz é de 299.792.458 metros por segundo (m/s) no vácuo, normalmente arredondados para 300.000 km/s.

O som se propaga na forma de ondas de compressão - uma série de compressões e rarefações -, com sua velocidade variando significativamente de um material para outro. Normalmente, o som é mais lento nos gases, ou pouco mais rápido nos líquidos e mais rápido ainda nos sólidos. No ar, em condições ambientais ao nível do mar, o som viaja a cerca de 340 m/s, na água atinge cerca de 1.500 m/s e no ferro mais de 5.000 m/s.

Assim, não é de espantar que o recorde da velocidade do som (cerca de 18.000 m/s) medida até hoje é no diamante, o material natural mais duro que se conhece - por ser muito denso, seus átomos ficam muito próximos, facilitando a passagem das ondas de compressão.

Mas não dá para ficar medindo a velocidade do som em todos os materiais para saber sua velocidade máxima, por isso Kostya Trachenko e seus colegas do Reino Unido e da Rússia decidiram verificar os primeiros princípios da física para criar uma definição mais genérica que permitisse calcular a velocidade máxima do som.

Fechem os livros de Física: O calor pode se mover pelo vácuo Velocidade experimental do som em 124 sólidos (círculos) e 9 líquidos (losangos) em condições ambientais.

Velocidade máxima do som

Nos livros-texto de física, você descobrirá que a velocidade do som em um material é igual à raiz quadrada do módulo de elasticidade desse material - que quantifica sua resistência à compressão - dividida por sua densidade.

Destrinchando essa fórmula até chegar às suas raízes mais profundas, Trachenko e seus colegas descobriram que a velocidade do som depende de apenas duas constantes fundamentais da física: a constante de estrutura fina e a razão da massa próton/elétron.

A constante de estrutura fina define a força das interações eletromagnéticas fundamentais, enquanto a segunda pode ser comparada com grande precisão à energia de Rydberg, que é a energia de ligação característica na matéria.

Assim, o limite superior da velocidade do som ocorre quando a massa dos átomos é a menor possível. Neste caso, a velocidade do som pode ser expressa em termos da razão da massa próton/elétron (raiz quadrada do seu valor invertido dividido por dois), da constante de estrutura fina e da velocidade da luz no vácuo.

Esta fórmula permitiu calcular a velocidade máxima do som em 36.100 m/s.

O material de menor massa conhecido é o átomo de hidrogênio, sendo que o som vai viajar mais rápido quando o hidrogênio estiver na fase metálica, o que deve ocorrer em locais como o núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

Colocando os dados do hidrogênio metálico na fórmula, o resultado dá cerca de 35.000 m/s, o que é ligeiramente menor do que o resultado teórico. Os físicos não conseguem imaginar um material mais propício para a propagação do som, mas sua fórmula também contém algumas aproximações que poderão ser aprimoradas por trabalhos futuros.