Qual è la velocità del suono?

La velocità del suono nell'aria secca a 20 °C è di 343 m/s. Convertendo, sono 1.235 km/h, 767 mph, 667 kn o circa 1.125 ft/s. L'aviazione utilizza invece l'Atmosfera Standard Internazionale, che fissa il livello del mare a 15 °C, il che dà 340,3 m/s (1.225 km/h, 661 kn). I due valori vengono spesso citati come equivalenti; la differenza è dovuta ai 5 °C tra loro.

La formula alla base di questi valori è la radice quadrata di γRT/M, dove γ è il rapporto tra i calori specifici (1,4 per l'aria), R è la costante dei gas, T è la temperatura assoluta e M è la massa molare. Da qui deriva una utile regola empirica: la velocità del suono nell'aria cambia di circa 0,6 m/s per grado Celsius.

Poiché conta solo la temperatura, la velocità del suono segue il profilo termico dell'atmosfera. Nell'atmosfera standard, scende costantemente attraverso la troposfera e raggiunge 295,1 m/s (1.062 km/h, 573 kn) alla tropopausa, a 11 km di quota, rimane poi costante fino a 20 km, dove la temperatura non varia, e torna a salire più in alto, nella stratosfera, poiché l'ozono riscalda l'aria. Per questo un aereo di linea che vola a 900 km/h di velocità vera a 11 km di quota è a Mach 0,85, mentre la stessa velocità al livello del mare sarebbe solo Mach 0,73. Piloti e computer di volo usano il numero di Mach locale, e non una costante al livello del mare, perché i limiti aerodinamici dell'ala dipendono da esso.

L'umidità ha un piccolo effetto e aumenta la velocità del suono in aria molto umida di alcuni decimi di metro al secondo, poiché il vapore acqueo è più leggero dell'azoto e dell'ossigeno che sostituisce. La pressione dell'aria da sola non ha effetto: in cima a una montagna l'aria è più rarefatta, ma il suono è più lento solo perché lì fa più freddo.

Liquidi e solidi conducono il suono molto più velocemente, poiché le loro molecole sono più vicine e legate più saldamente. Nell'acqua dolce a 20 °C il valore è di circa 1.480 m/s, nell'acqua di mare leggermente più alto, circa 1.530 m/s, per cui i sistemi sonar devono correggere per temperatura e salinità. Nell'acciaio è di quasi 5.900 m/s, nell'alluminio circa 6.300 m/s e nel diamante oltre 12.000 m/s. Tra i gas, l'idrogeno con circa 1.270 m/s e l'elio con circa 1.000 m/s sono i più rapidi; l'anidride carbonica, più densa e con un γ più basso, è più lenta dell'aria, con circa 270 m/s.

Il numero di Mach è il rapporto tra la velocità di volo reale di un aereo e la velocità locale del suono, per cui lo stesso Mach 1 corrisponde a velocità diverse in condizioni diverse. La crociera del Concorde a Mach 2,02 a 17 km di quota corrispondeva a circa 2.150 km/h, mentre Mach 2 al livello del mare in una giornata calda sarebbe piuttosto circa 2.500 km/h. Quando si cita un valore per il muro del suono senza indicare la quota, si tratta quasi sempre del valore standard al livello del mare di 1.225 km/h.