Perché la velocità del suono è così lenta?

Il suono nell'aria è un'onda di pressione: una regione di aria leggermente compressa spinge l'aria accanto, questa spinge la successiva, e così via. Niente si sposta tranne la perturbazione stessa. La velocità con cui si propaga dipende da quanto rapidamente le molecole possono trasmettere un urto, e ciò è limitato dalla rapidità con cui le molecole stesse si muovono tra gli urti. Nell'aria a temperatura ambiente, la velocità media delle molecole è di circa 500 m/s, e la velocità del suono risultante è di 343 m/s — un po' più bassa, perché l'energia si distribuisce su diverse forme di moto molecolare. Per un gas, la formula è la radice quadrata di γRT/M: dipende dalla temperatura, dalla massa molecolare e dal rapporto tra i calori specifici — da nient'altro. Pressione e altitudine da sole non hanno alcun ruolo.

Aria più calda significa molecole più veloci e suono più veloce. Per questo la velocità del suono diminuisce con l'altitudine nella bassa atmosfera — non perché l'aria diventi più rarefatta, ma perché diventa più fredda. Nell'atmosfera standard internazionale, scende da 340 m/s al livello del mare (15 °C) a 295 m/s a 11 km di altitudine (−56,5 °C), per poi rimanere costante nella bassa stratosfera, dove la temperatura resta stabile. Per l'aviazione, questo ha una conseguenza pratica: un aereo con una velocità vera fissa raggiunge un numero di Mach più alto all'aumentare dell'altitudine, motivo per cui gli aerei di linea raggiungono il loro limite di Mach di crociera solo ad alta quota. I gas più leggeri trasmettono il suono più velocemente; nell'elio è di quasi 1.000 m/s, motivo per cui la voce diventa acuta dopo aver inalato elio.

La luce è un'onda elettromagnetica. Non ha bisogno di un mezzo e si propaga a 299.792 km/s, quasi 900.000 volte più velocemente del suono nell'aria. Questo spiega la differenza tra vedere il lampo e sentire il tuono tre secondi dopo per ogni chilometro di distanza. I mezzi più densi e rigidi trasmettono un urto più efficientemente: il suono si muove nell'acqua a circa 1.480 m/s e nell'acciaio a circa 5.900 m/s, perché le molecole sono legate saldamente tra loro e reagiscono quasi come un'unità invece che tramite urti casuali.

Su scala umana, 343 m/s non è lento: sono 1.235 km/h, circa la velocità di un proiettile di fucile. Sembra lento solo rispetto alla luce o agli aerei moderni. L'aereo con equipaggio più veloce a propulsione aerobica, l'SR-71, volava in crociera a più di tre volte la velocità del suono, e i veicoli spaziali in rientro la superano di più di venti volte. La velocità del suono è lenta solo nel senso che la tecnologia ha imparato a superarla.