De ce sunetul se propagă mai bine sub apă decât în aer?
În 1955, în plin Război Rece, Statele Unite și Uniunea Sovietică au desfășurat unul dintre cele mai puternice teste nucleare subacvatice ale epocii: Operațiunea Wigwam. Acest experiment, conceput pentru a evalua vulnerabilitatea submarinelor la explozii nucleare în ape adânci, a avut loc la aproximativ 600 km de coasta Californiei și a dus la o descoperire surprinzătoare: unda sonoră generată de explozie a călătorit mii de kilometri prin apa oceanului și a fost detectată de stațiile de ascultare mult mai rapid decât orice alt semnal propagat prin aer.
De ce s-a întâmplat acest fenomen? Răspunsul se află în viteza sunetului în diferite medii.
Dacă în aer sunetul se propagă cu aproximativ 343 metri pe secundă, în apă se deplasează de până la patru ori mai rapid, atingând 1.480 metri pe secundă.
Și asta nu e tot: dacă explozia ar fi fost monitorizată prin vibrațiile din mediile solide, detectarea ar fi fost și mai rapidă, deoarece sunetul călătorește cu viteze mult mai mari prin aceste materiale.
Sunet și unde
Dar, ce este, de fapt, sunetul?
Pe scurt, sunetul este o vibrație care se propagă sub formă de unde prin orice mediu. Când vorbim, când batem într-o masă sau când ceva scoate un sunet, ceea ce se întâmplă de fapt este că generăm perturbații în mediul din jurul nostru.
Astfel, aceste vibrații se transmit de la o particulă la alta, formând diferite unde sonore care se deplasează prin gaze, lichide și solide. De fapt, dacă nu există un mediu prin care să se propage, undele sonore nu pot călători, iar sunetul nu se poate transmite.
Aceasta este explicația pentru care în spațiu nu există sunet: nu există aer, apă sau solide care să acționeze ca un „pod” pentru propagarea sa.
În plus, viteza de propagare a sunetului depinde în mare măsură de modul în care particulele mediului interacționează între ele. Cu alte cuvinte, cu cât vibrațiile sunt transmise mai rapid de la o moleculă la alta, cu atât sunetul se va deplasa mai repede.
Aici intervine un factor esențial: densitatea și elasticitatea mediului prin care sunetul se propagă.
Citește și: Ole Roemer, astronomul și fizicianul care a efectuat prima măsurătoare mai precisă a vitezei luminii, folosind o lună a planetei Jupiter
Aer versus apă
Când ne aflăm pe stradă, acasă sau oriunde pe suprafața Pământului, sunetul se propagă cu o viteză de 343 metri pe secundă – o valoare impresionantă, dar mai mică decât în alte medii.
De fapt, poate te va surprinde să afli că aerul este mediul care transmite sunetul cel mai slab. Motivul? Compoziția sa, formată din molecule de gaze precum azotul și oxigenul, care sunt relativ distanțate între ele. Fiind un gaz, aerul este foarte compresibil, iar moleculele sale au nevoie de mai mult timp pentru a transmite vibrațiile, ceea ce încetinește propagarea sunetului.
În schimb, apa este un lichid mult mai dens… ceea ce ne-ar putea face să credem că sunetul ar trebui să se deplaseze mai lent. Totuși, aici intervine un alt factor important: elasticitatea.
Apa este un mediu mult mai puțin compresibil decât aerul. Acest lucru înseamnă că, atunci când o undă sonoră împinge moleculele de apă, acestea reacționează aproape instantaneu, transmitând vibrația cu o eficiență remarcabilă.
Ca rezultat, sunetul se propagă aproape de patru ori mai rapid decât în aer, atingând o viteză de 1.480 metri pe secundă.
Dacă încă nu ai înțeles complet la ce ne referim, îți poți imagina acest proces ca pe un lanț uman.
Dacă te afli într-un șir de persoane și vrei să transmiți un mesaj de la un capăt la altul, ordinea este foarte importantă. Dacă șirul este dezorganizat, iar oamenii sunt dispersați, mesajul va ajunge cu întârziere. În schimb, dacă persoanele sunt bine aliniate și coordonate, mesajul va fi transmis mult mai eficient.
Exact același principiu se aplică și în apă: moleculele sunt mai apropiate unele de altele, ceea ce face ca transmisia vibrației să fie mult mai rapidă.
În solide, viteza sunetului este mult mai mare decât în lichide și gaze
M. Harris
Și dacă te-a surprins faptul că sunetul călătorește mai repede prin apă decât prin aer, atunci iată ceva și mai uimitor: în solide, viteza sunetului este și mai mare.
De exemplu, în materiale precum oțelul, sunetul poate atinge viteze de până la 5.000 de metri pe secundă. Explicația este simplă: moleculele dintr-un solid sunt mult mai apropiate unele de altele, ceea ce permite transmiterea vibrațiilor mult mai rapid și eficient.
Acesta este motivul pentru care elefanții pot comunica pe distanțe mari folosind vibrațiile din sol, transmise prin pământ.
În cele din urmă, sunetul se propagă atât de rapid și eficient prin solide, încât, în anumite situații, poate fi un mijloc de comunicare mai fiabil decât apa sau aerul.
Auzim mai bine sub apă?
Întrebarea esențială: dacă sunetul călătorește mai repede prin apă, nu ar trebui să auzim mai bine sub apă decât în aer?
Nu chiar. Urechile noastre sunt adaptate pentru a capta undele sonore în aer, așa că, atunci când ne scufundăm, sunetul ajunge la noi distorsionat. În plus, din cauza densității mai mari a apei, sunetul este transmis direct prin craniu, în loc să treacă prin timpan, cum se întâmplă în aer, ceea ce face ca percepția lui să fie neobișnuită.
În schimb, animalele marine, precum delfinii și balenele, au dezvoltat sisteme auditive specializate care le permit să perceapă sunetele sub apă cu o claritate remarcabilă. Unele dintre ele folosesc chiar ecolocația pentru „a scana” mediul înconjurător, detectând obiecte la distanțe uimitoare. Fascinant, nu-i așa?
Citește și: În cât timp ajunge lumina solară pe Pământ?