Som

O som percorre cerca de 343 metros por segundo no ar a 20 °C. Por isso, ouvir o trovão 3 segundos depois do clarão indica que o raio caiu a cerca de 1 km de distância.

Ondas de pressão no ar

Quando a pele de um tambor se move para fora, comprime o ar ao redor; ao recuar, deixa uma região de pressão um pouco menor. Essas compressões e expansões passam de molécula para molécula como uma onda longitudinal. O ar perto da sua orelha não viaja do tambor até você: ele se desloca um pouquinho para a frente e para trás enquanto o padrão de pressão avança. A OpenStax observa que, no som mais fraco que uma pessoa consegue ouvir, as moléculas do ar se deslocam menos de um diâmetro molecular.

Qual é a velocidade do som?

Em uma queima de fogos, dá para perceber que o som leva tempo para chegar: primeiro vem o clarão, depois o estrondo. A OpenStax informa que a velocidade do som no ar é de 331 m/s a 0 °C e 343 m/s a 20 °C, e apresenta uma fórmula para o ar ao nível do mar: v = 331 m/s × √(T / 273 K), com T em kelvin. No ar mais quente, as moléculas se movem mais rápido e transmitem o empurrão mais depressa, mas o efeito é pequeno. De 0 °C a 20 °C, a velocidade aumenta menos de 4%. Dos 343 m/s vem uma regra útil: o som leva cerca de 3 segundos para percorrer um quilômetro. Assim, contar os segundos entre o relâmpago e o trovão permite estimar a distância.

O som se propaga mais rápido em líquidos e sólidos do que no ar, pois eles são muito mais difíceis de comprimir. A velocidade depende da rigidez e da densidade do material: maior rigidez significa maior velocidade e, para rigidez semelhante, o material menos denso leva vantagem. A OpenStax lista valores para vários materiais. A borracha é uma exceção: sua velocidade de propagação do som é baixa, pois ela é muito macia.

Altura do som, faixa audível e ecos

Percebemos a frequência de um som como sua altura. Pessoas com boa audição geralmente ouvem de cerca de 20 Hz a 20 000 Hz. Sons acima dessa faixa são chamados de ultrassons; abaixo dela, de infrassons. Dentro da faixa audível, a velocidade quase não depende da frequência. A OpenStax ilustra isso com uma banda em desfile: se as notas agudas viajassem mais rápido que as graves, a música chegaria fora de ritmo aos ouvintes distantes. Isso não acontece.

O som se reflete em superfícies duras, e o som que retorna é um eco. Se você bate palmas diante de um penhasco e ouve o eco 2 segundos depois, o som fez o percurso de ida e volta. Portanto, o penhasco está a 343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 m de distância. Morcegos usam ecos para localizar insetos, e a ultrassonografia usa os ecos de frequências muito altas vindos do interior do corpo. Como os comprimentos de onda do som audível vão de centímetros a muitos metros, o som também contorna portas e esquinas. É por isso que você ouve alguém no cômodo ao lado sem precisar vê-lo.

Sensação de intensidade sonora e decibéis

A sensação de intensidade sonora acompanha a intensidade da onda, isto é, a potência que atravessa cada metro quadrado. O ouvido abrange uma faixa enorme: o som mais fraco a 1000 Hz tem intensidade de cerca de 10⁻¹² W/m², e um som capaz de danificar a audição em segundos é cerca de 10¹² vezes mais intenso. Para trabalhar com esses números, usamos a escala de decibéis, β = 10 log₁₀(I / I₀), com I₀ = 10⁻¹² W/m². Multiplicar a intensidade por 10 acrescenta 10 dB, e dobrá-la acrescenta cerca de 3 dB. A OpenStax situa uma conversa normal perto de 60 dB e um show de rock alto perto de 120 dB, o limiar da dor. Uma nota de rodapé acrescenta que várias agências governamentais e de saúde recomendam não ultrapassar 85 dB durante 8 horas por dia sem proteção auditiva.