Dove la velocità del suono è maggiore?

Il suono è un'onda di pressione trasmessa da particelle che spingono quelle vicine. La sua velocità dipende da due fattori: quanto il mezzo resiste alla compressione (la sua rigidità o modulo di compressibilità) e quanta massa deve essere spostata (la sua densità). Più un mezzo è rigido e meno denso, più velocemente si propaga l'onda. Per questo l'acciaio, molto rigido, conduce il suono a circa 5.900 metri al secondo; l'acqua a circa 1.480; e l'aria, molto comprimibile, a 343 metri al secondo a 20 °C. L'intuizione secondo cui l'aria densa "conduce meglio" è sbagliata: ciò che conta è il rapporto tra rigidità e densità, non la densità da sola.

In un gas ideale, rigidità e densità aumentano insieme alla pressione, quindi la pressione si annulla e la velocità del suono dipende solo dalla temperatura assoluta e dalla composizione del gas. Nell'aria secca, a 0 °C è di circa 331 m/s e aumenta di circa 0,6 m/s per grado. A 40 °C è di circa 355 m/s; nella tropopausa dell'atmosfera standard, a 11.000 m e -56,5 °C, scende a 295 m/s. Questo calo spiega perché un aereo di linea che vola a 850 km/h si trova a circa Mach 0,8: il valore di riferimento che definisce il numero di Mach è minore in quota. Anche la composizione conta: nell'elio, leggero e monoatomico, il suono viaggia a quasi 1.000 m/s, per cui inalarlo rende la voce più acuta; nell'esafluoruro di zolfo, molto più pesante, scende a circa 130 m/s.

La velocità locale del suono determina il numero di Mach, e il numero di Mach determina l'inizio delle onde d'urto, della resistenza d'onda e del buffeting. A parità di velocità vera, lo stesso aereo è più vicino al regime transonico in aria fredda di alta quota che in aria calda al livello del mare. Per questo i test supersonici storici, come quelli del Bell X-1 nel 1947, furono effettuati in quota: l'aria fredda riduce la velocità necessaria per superare Mach 1, e la minore densità riduce il carico sulla struttura della cellula. Gli strumenti di un aereo a getto calcolano continuamente il numero di Mach a partire dalla temperatura totale dell'aria misurata da una sonda sul naso.

Il suono si propaga anche attraverso il metallo dell'aereo stesso, e questa velocità molto più alta è alla base del controllo a ultrasuoni di longheroni e giunzioni rivettate: un impulso emesso e il suo eco impiegano microsecondi per attraversare lo spessore di un componente, e ogni crepa si rivela con una riflessione precoce. Nell'acqua di mare, a circa 1.500 m/s, gli aerei da pattugliamento marittimo si affidano a sonoboe e sonar. Secondo dove si guarda, quindi, lo stesso fenomeno fisico è lento in cabina, rapido nell'ala e ancora più rapido sotto il mare.