Físicos descobrem velocidade máxima do som

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/10/2020

Velocidade experimental do som em 36 sólidos elementares em função da massa atômica (Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ti, Mn, Fe, Ni, Co, Cu, Zn, Ge, Y, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Ta, W, Pt, Au, Tl, Pb, Bi, Th e U).
[Imagem: Trachenko et al. - 10.1126/sciadv.abc8662]

Velocidade do som

Pesquisadores descobriram como partir dos princípios básicos da física para calcular qual é a velocidade máxima que o som pode alcançar.

Até hoje ninguém sabia se as ondas sonoras teriam um limite superior de velocidade, a exemplo do que acontece com a luz - as teorias de Einstein estabelecem que a velocidade máxima da luz é de 299.792.458 metros por segundo (m/s) no vácuo, normalmente arredondados para 300.000 km/s.

O som se propaga na forma de ondas de compressão - uma série de compressões e rarefações -, com sua velocidade variando significativamente de um material para outro. Normalmente, o som é mais lento nos gases, ou pouco mais rápido nos líquidos e mais rápido ainda nos sólidos. No ar, em condições ambientais ao nível do mar, o som viaja a cerca de 340 m/s, na água atinge cerca de 1.500 m/s e no ferro mais de 5.000 m/s.

Assim, não é de espantar que o recorde da velocidade do som (cerca de 18.000 m/s) medida até hoje é no diamante, o material natural mais duro que se conhece - por ser muito denso, seus átomos ficam muito próximos, facilitando a passagem das ondas de compressão.

Mas não dá para ficar medindo a velocidade do som em todos os materiais para saber sua velocidade máxima, por isso Kostya Trachenko e seus colegas do Reino Unido e da Rússia decidiram verificar os primeiros princípios da física para criar uma definição mais genérica que permitisse calcular a velocidade máxima do som.

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Velocidade experimental do som em 124 sólidos (círculos) e 9 líquidos (losangos) em condições ambientais.
[Imagem: Trachenko et al. - 10.1126/sciadv.abc8662]

Velocidade máxima do som

Nos livros-texto de física, você descobrirá que a velocidade do som em um material é igual à raiz quadrada do módulo de elasticidade desse material - que quantifica sua resistência à compressão - dividida por sua densidade.

Destrinchando essa fórmula até chegar às suas raízes mais profundas, Trachenko e seus colegas descobriram que a velocidade do som depende de apenas duas constantes fundamentais da física: a constante de estrutura fina e a razão da massa próton/elétron.

A constante de estrutura fina define a força das interações eletromagnéticas fundamentais, enquanto a segunda pode ser comparada com grande precisão à energia de Rydberg, que é a energia de ligação característica na matéria.

Assim, o limite superior da velocidade do som ocorre quando a massa dos átomos é a menor possível. Neste caso, a velocidade do som pode ser expressa em termos da razão da massa próton/elétron (raiz quadrada do seu valor invertido dividido por dois), da constante de estrutura fina e da velocidade da luz no vácuo.

Esta fórmula permitiu calcular a velocidade máxima do som em 36.100 m/s.

O material de menor massa conhecido é o átomo de hidrogênio, sendo que o som vai viajar mais rápido quando o hidrogênio estiver na fase metálica, o que deve ocorrer em locais como o núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

Colocando os dados do hidrogênio metálico na fórmula, o resultado dá cerca de 35.000 m/s, o que é ligeiramente menor do que o resultado teórico. Os físicos não conseguem imaginar um material mais propício para a propagação do som, mas sua fórmula também contém algumas aproximações que poderão ser aprimoradas por trabalhos futuros.

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