Por que a velocidade do som é tão lenta?

O som no ar é uma onda de pressão: uma região de ar ligeiramente comprimido empurra o ar ao lado, este empurra o seguinte, e assim por diante. Nada se desloca além da própria perturbação. A velocidade a que se propaga depende da rapidez com que as moléculas conseguem transmitir um choque, e isso é limitado pela rapidez com que as próprias moléculas se movem entre os choques. No ar à temperatura ambiente, a velocidade média das moléculas é de cerca de 500 m/s, e a velocidade do som resultante é de 343 m/s — um pouco menor, porque a energia se distribui por várias formas de movimento molecular. Para um gás, a fórmula é a raiz quadrada de γRT/M: depende da temperatura, da massa molecular e da razão entre calores específicos — de nada mais. A pressão e a altitude, por si só, não têm qualquer papel.

Ar mais quente significa moléculas mais rápidas e som mais rápido. Por isso, a velocidade do som diminui com a altitude na atmosfera inferior — não porque o ar se torne mais rarefeito, mas porque se torna mais frio. Na atmosfera padrão internacional, cai de 340 m/s ao nível do mar (15 °C) para 295 m/s a 11 km de altitude (−56,5 °C), permanecendo depois constante na baixa estratosfera, onde a temperatura se mantém estável. Para a aviação, isto tem uma consequência prática: um avião com uma velocidade real fixa atinge um número de Mach mais elevado à medida que a altitude aumenta, razão pela qual os aviões comerciais só atingem o seu limite de Mach de cruzeiro em grande altitude. Gases mais leves transmitem o som mais rapidamente; no hélio, é de quase 1.000 m/s, razão pela qual a voz fica aguda depois de se inalar hélio.

A luz é uma onda eletromagnética. Não precisa de meio e propaga-se a 299.792 km/s, quase 900.000 vezes mais rápido do que o som no ar. Isso explica a diferença entre ver o relâmpago e ouvir o trovão três segundos depois por cada quilómetro de distância. Meios mais densos e rígidos transmitem um choque de forma mais eficiente: o som move-se na água a cerca de 1.480 m/s e no aço a cerca de 5.900 m/s, porque as moléculas estão firmemente ligadas entre si e reagem quase como uma unidade, em vez de através de colisões aleatórias.

À escala humana, 343 m/s não é lento: são 1.235 km/h, cerca da velocidade de uma bala de fuzil. Só parece lento em comparação com a luz ou com os aviões modernos. O avião tripulado mais rápido com motores a ar, o SR-71, voava em cruzeiro a mais de três vezes a velocidade do som, e as naves espaciais em reentrada superam-na em mais de vinte vezes. A velocidade do som só é lenta no sentido em que a tecnologia aprendeu a superá-la.