Onde a velocidade do som é maior?

O som é uma onda de pressão transmitida por partículas que empurram as suas vizinhas. A sua velocidade depende de duas coisas: quanto o meio resiste à compressão (a sua rigidez ou módulo de compressibilidade) e quanta massa é preciso mover (a sua densidade). Quanto mais rígido e menos denso for um meio, mais rápido se propaga a onda. É por isso que o aço, muito rígido, conduz o som a cerca de 5900 metros por segundo; a água, a cerca de 1480; e o ar, muito compressível, a 343 metros por segundo a 20 °C. A intuição de que o ar denso "conduz melhor" está errada: o que importa é a relação entre rigidez e densidade, não a densidade por si só.

Num gás ideal, a rigidez e a densidade aumentam juntas com a pressão, pelo que a pressão se cancela e a velocidade do som depende apenas da temperatura absoluta e da composição do gás. No ar seco, a 0 °C é de cerca de 331 m/s e sobe cerca de 0,6 m/s por grau. A 40 °C fica perto de 355 m/s; na tropopausa da atmosfera padrão, a 11.000 m e -56,5 °C, desce para 295 m/s. Esta queda explica por que um avião comercial a voar a 850 km/h está a cerca de Mach 0,8: o valor de referência que define o número de Mach é menor em grande altitude. A composição também importa: no hélio, leve e monoatómico, o som viaja a quase 1000 m/s, por isso inalá-lo deixa a voz mais aguda; no hexafluoreto de enxofre, muito mais pesado, desce para cerca de 130 m/s.

A velocidade local do som determina o número de Mach, e o número de Mach determina o início das ondas de choque, do arrasto de onda e do buffeting. Com a mesma velocidade real, o mesmo avião está mais próximo do regime transónico em ar frio de grande altitude do que em ar quente ao nível do mar. É por isso que os testes supersónicos históricos, como os do Bell X-1 em 1947, foram feitos em grande altitude: o ar frio reduz a velocidade necessária para superar Mach 1, e a menor densidade reduz a carga sobre a estrutura da célula. Os instrumentos de um avião a jato calculam continuamente o número de Mach a partir da temperatura total do ar medida por uma sonda no nariz.

O som também se propaga através do metal do próprio avião, e essa velocidade muito mais alta é a base da inspeção por ultrassom de longarinas e ligações rebitadas: um impulso emitido e o seu eco levam microssegundos a atravessar a espessura de um componente, e qualquer fissura revela-se por uma reflexão precoce. Na água do mar, a cerca de 1500 m/s, os aviões de patrulha marítima dependem de sonoboias e sonares. Dependendo de onde se olha, o mesmo fenómeno físico é, assim, lento na cabina, rápido na asa e ainda mais rápido debaixo do mar.