Aká je rýchlosť zvuku?

V atmosfére Zeme rýchlosť zvuku je to 343 metrov za sekundu; alebo jeden kilometer pri 2,91 za sekundu alebo jednu míľu pri 4,69 za sekundu.

Rýchlosť zvuku v ideálnom plyne závisí len od jeho teploty a zloženia. Rýchlosť má slabú závislosť od frekvencie a tlaku v bežnom vzduchu, čo sa trochu líši od ideálneho správania.

Aká je rýchlosť zvuku?

Zvyčajne sa rýchlosť zvuku vzťahuje na rýchlosť, ktorou zvukové vlny prechádzajú vzduchom. Rýchlosť zvuku sa však mení v závislosti od látky. Napríklad zvuk sa v plynoch pohybuje pomalšie, rýchlejšie sa pohybuje v kvapalinách a ešte rýchlejšie v tuhých látkach.

Ak je rýchlosť zvuku vo vzduchu 343 metrov za sekundu, znamená to, že sa pohybuje rýchlosťou 1,484 m za sekundu vo vode a asi 5 120 m za sekundu v železe. Vo výnimočne tvrdom materiáli, ako napríklad diamant, sa zvuk pohybuje rýchlosťou 12 000 metrov za sekundu. Toto je najvyššia rýchlosť, pri ktorej sa zvuk môže pohybovať za normálnych podmienok.

Zvukové vlny v pevných látkach sú zložené z kompresných vĺn - ako v plynoch a kvapalinách - a odlišného typu vlny nazývanej rotačné vlny, prítomné len v tuhých látkach. Rotačné vlny v pevných látkach sa zvyčajne pohybujú rôznymi rýchlosťami.

Rýchlosť kompresných vĺn v tuhých látkach je určená stlačiteľnosťou, hustotou a priečnym modulom pružnosti média. Rýchlosť rotačných vĺn je určená len hustotou a modulom priečnej elasticity modulu.

V dynamickej tekutine sa rýchlosť zvuku v kvapalnom médiu, buď v plyne alebo v kvapaline, používa ako relatívna miera rýchlosti pohybu objektu cez médium..

Pomer rýchlosti objektu k rýchlosti svetla v tekutine sa nazýva marcové číslo objektu. Objekty, ktoré sa pohybujú rýchlejšie ako 1. marca, sa označujú ako objekty, ktoré sa pohybujú nadzvukovými rýchlosťami.

Základné pojmy

Prenos zvuku môže byť znázornený pomocou modelu pozostávajúceho zo série guľôčok prepojených drôtmi.

V reálnom živote predstavujú gule molekuly a vlákna predstavujú prepojenia medzi nimi. Zvuk prechádza cez model, ktorý stláča a rozširuje vlákna, prenáša energiu na susedné guľôčky, ktoré zase prenášajú energiu do ich nití a tak ďalej..

Rýchlosť zvuku cez model závisí od tuhosti nití a hmotnosti guľôčok.

Pokiaľ je priestor medzi guľôčkami konštantný, tuhšie vlákna prenášajú energiu rýchlejšie a gule s väčšou hmotnosťou prenášajú energiu pomalšie. Účinky ako rozptyl a odraz môžu byť tiež chápané s týmto modelom.

V každom reálnom materiáli sa tuhosť závitov nazýva modul pružnosti a hmotnosť zodpovedá hustote. Ak sú všetky ostatné veci rovnaké, zvuk bude pomalší v hubovitých materiáloch a rýchlejší v tuhších materiáloch.

Napríklad zvuk sa pohybuje 1,59-krát rýchlejšie cez nikel ako bronz, pretože tuhosť niklu je väčšia pri rovnakej hustote..

Podobne, zvuk sa pohybuje 1,41 krát rýchlejšie v ľahkom vodíkovom plyne (protium) ako v ťažkom vodíkovom plyne (deutérium), pretože ťažký plyn má podobné vlastnosti, ale má dvojnásobnú hustotu..

Zvuk "kompresného typu" sa bude pohybovať rýchlejšie v tuhých látkach ako kvapaliny a bude sa pohybovať rýchlejšie v kvapalinách ako v plynoch.

Tento efekt je spôsobený skutočnosťou, že tuhé látky majú ťažšie stlačenie ako kvapaliny, zatiaľ čo kvapaliny sú na druhej strane ťažšie stlačiteľné ako plyny..

Kompresné vlny a rotačné vlny

V plyne alebo v kvapaline sa zvuk skladá z kompresných vĺn. V pevných látkach sa vlny šíria prostredníctvom dvoch rôznych typov vĺn. Pozdĺžna vlna je spojená s kompresiou a dekompresiou v smere pohybu; je to rovnaký proces v plynoch a kvapalinách, s analogickou kompresnou vlnou v tuhých látkach.

V plynoch a kvapalinách existujú iba kompresné vlny. Ďalší typ vlny, nazývaný priečna vlna alebo rotačná vlna, sa vyskytuje len v tuhých látkach, pretože iba tuhé látky môžu odolať elastickým deformáciám..

Je to preto, že elastická deformácia média je kolmá na smer pohybu vlny. Smer deformovaného otáčania sa nazýva polarizácia tohto typu vlny. Vo všeobecnosti sa priečne vlny vyskytujú ako pár ortogonálnych polarizácií.

Tieto rôzne typy vĺn môžu mať rôzne rýchlosti na rovnakej frekvencii. Preto sa môžu dostať k pozorovateľovi v rôznom čase. Príkladom takejto situácie sú zemetrasenia, pri ktorých prichádzajú akútne kompresné vlny a oscilujúce priečne vlny prichádzajú o niekoľko sekúnd neskôr..

Rýchlosť stlačenia vĺn v kvapaline je daná kompresibilitou a hustotou média.

V tuhých látkach sú kompresné vlny analogické vlnám v tekutinách, v závislosti na stlačiteľnosti, hustote a ďalších faktoroch priečneho modulu pružnosti..

Rýchlosť rotačných vĺn, ktoré sa vyskytujú len v tuhých látkach, je určená len modulom priečnej elasticity a hustotou modulu..

referencie

1. Rýchlosť zvuku v rôznych hromadných médiách. Hyper fyzika Zdroj: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
2. Rýchlosť zvuku. Zdroj: mathpages.com.
3. Hlavná príručka akustiky. (2001). New York, Spojené štáty. McGraw-Hill. Zdroj: wikipedia.com.
4. Rýchlosť zvuku vo vode pri teplotách. Inžinierske nástroje. Získané zo služby engineeringtoolbox.com.
5. Rýchlosť zvuku vo vzduchu. Fyzika hudobných poznámok. Zdroj: phy.mtu.edu.
6. Atmosférické vplyvy na rýchlosť zvuku. (1979). Technická správa obranného technického informačného centra. Zdroj: wikipedia.com.