¿Por qué la velocidad del sonido es tan lenta?

El sonido en el aire es una onda de presión: una región de aire ligeramente comprimido empuja al aire contiguo, que empuja al siguiente, y así sucesivamente. No viaja nada salvo la perturbación. La velocidad a la que se propaga depende de la rapidez con que las moléculas pueden transmitir ese empuje, y eso está limitado por la velocidad a la que las propias moléculas se mueven entre colisiones. En aire a temperatura ambiente, la velocidad molecular media es de unos 500 m/s, y la velocidad del sonido resultante es de 343 m/s, algo menor porque la energía se reparte entre varias formas de movimiento molecular. Para un gas, la fórmula es la raíz cuadrada de γRT/M: depende de la temperatura, de la masa molecular y de la razón de calores específicos, y de nada más. La presión y la altitud, por sí solas, no intervienen.

Un aire más cálido significa moléculas más rápidas y un sonido más rápido. Por eso la velocidad del sonido disminuye con la altitud en la atmósfera baja, no porque el aire sea menos denso sino porque está más frío. En la atmósfera estándar internacional, cae de 340 m/s al nivel del mar (15 °C) a 295 m/s a 11 km (−56,5 °C), y luego se mantiene constante a través de la baja estratosfera, donde la temperatura es uniforme. Para la aviación esto tiene una consecuencia práctica: un avión con una velocidad verdadera fija tiene un número de Mach más alto cuanto más asciende, razón por la cual los aviones de pasajeros alcanzan su límite de Mach de crucero en altitud. Los gases más ligeros transmiten el sonido más rápido; en helio es de casi 1000 m/s, lo que hace que una voz suene aguda después de respirarlo.

La luz es una onda electromagnética. No necesita medio y se propaga a 299 792 km/s, casi 900 000 veces más rápido que el sonido en el aire. Esa es la diferencia entre ver el relámpago y oír el trueno tres segundos después por cada kilómetro de distancia. Los medios más densos y rígidos transmiten un empuje con más eficacia: el sonido viaja a unos 1480 m/s en el agua y a unos 5900 m/s en el acero, porque las moléculas están ligadas entre sí y responden casi como una unidad, en lugar de mediante colisiones aleatorias.

A escala humana, 343 m/s no es lento: son 1235 km/h, aproximadamente la velocidad de una bala de rifle. Solo parece lenta frente a la luz, o frente a los aviones modernos. El avión tripulado con motor de reacción más rápido, el SR-71, volaba de crucero a más de tres veces la velocidad del sonido, y las naves espaciales en reentrada la superan más de veinte veces. La velocidad del sonido es lenta solo en el sentido de que la ingeniería ha aprendido a superarla.