Jaka jest prędkość dźwięku?
W ziemskiej atmosferze prędkość dźwięku wynosi 343 metry na sekundę; lub jeden kilometr przy 2, 91 na sekundę lub jedna mila przy 4, 69 na sekundę.
Prędkość dźwięku w idealnym gazie zależy tylko od jego temperatury i składu. Prędkość ma słabą zależność od częstotliwości i ciśnienia w zwykłym powietrzu, odbiegając nieco od idealnego zachowania.
Jaka jest prędkość dźwięku?
Zazwyczaj prędkość dźwięku odnosi się do prędkości, z jaką fale dźwiękowe przemieszczają się w powietrzu. Jednak prędkość dźwięku zmienia się w zależności od substancji. Na przykład dźwięk przemieszcza się wolniej w gazach, podróżuje szybciej w cieczach, a nawet szybciej w ciałach stałych.
Jeśli prędkość dźwięku wynosi 343 metry na sekundę w powietrzu, oznacza to, że podróżuje z prędkością 1 484 metrów na sekundę w wodzie i około 5 120 metrów na sekundę w żelazie. W wyjątkowo twardym materiale, takim jak na przykład diament, dźwięk podróżuje z prędkością 12 000 metrów na sekundę. Jest to najwyższa prędkość, przy której dźwięk może podróżować w normalnych warunkach.
Fale dźwiękowe w ciałach stałych składają się z fal ściskających - jak w gazach i cieczach - oraz z innego rodzaju fali zwanej falami obrotowymi, występującej tylko w ciałach stałych. Fale obrotowe w ciałach stałych zwykle poruszają się z różnymi prędkościami.
Prędkość fal ściskających w ciałach stałych zależy od ściśliwości, gęstości i modułu poprzecznego sprężystości ośrodka. Prędkość fal obrotowych jest określana tylko przez gęstość i moduł elastyczności poprzecznej modułu.
W płynie dynamicznym prędkość dźwięku w płynnym ośrodku, zarówno gazowym, jak i płynnym, jest używana jako względna miara prędkości obiektu poruszającego się w ośrodku.
Stosunek prędkości obiektu do prędkości światła w płynie nazywa się marcowym numerem obiektu. Obiekty poruszające się szybciej niż 1 marca nazywane są obiektami podróżującymi z prędkością naddźwiękową.
Podstawowe pojęcia
Transmisję dźwięku można zilustrować za pomocą modelu składającego się z serii kulek połączonych przewodami.
W prawdziwym życiu kulki reprezentują molekuły, a nici reprezentują połączenia między nimi. Dźwięk przechodzi przez model kompresujący i rozszerzający przewody, przekazując energię do sąsiednich kulek, które z kolei przekazują energię do swoich nici i tak dalej.
Prędkość dźwięku w modelu zależy od sztywności nici i masy kulek.
Tak długo, jak przestrzeń między kulkami jest stała, sztywniejsze nici przesyłają energię szybciej, a kule o większej masie przekazują energię wolniej. Efekty, takie jak rozpraszanie i odbijanie, można również zrozumieć za pomocą tego modelu.
W każdym rzeczywistym materiale sztywność nici nazywa się modułem sprężystości, a masa odpowiada gęstości. Jeśli wszystkie inne rzeczy są równe, dźwięk będzie wolniejszy w gąbczastych materiałach i szybszy w sztywniejszych materiałach.
Na przykład dźwięk przebiega o 1, 59 razy szybciej przez nikiel niż brąz, ponieważ sztywność niklu jest większa przy tej samej gęstości.
Podobnie, dźwięk podróżuje 1, 41 razy szybciej w lekkim gazie wodorowym (protium) niż w ciężkim gazie wodorowym (deuter), ponieważ ciężki gaz ma podobne właściwości, ale ma dwukrotnie większą gęstość.
Jednocześnie dźwięk „kompresji” będzie poruszał się szybciej w ciałach stałych niż płyny i szybciej płynął w cieczach niż w gazach.
Efekt ten wynika z faktu, że ciała stałe mają większe trudności z kompresją niż ciecze, podczas gdy ciecze są trudniejsze do skompresowania niż gazy.
Fale kompresji i fale obrotowe
W gazie lub cieczy dźwięk składa się z fal kompresji. W ciałach stałych fale propagują się przez dwa różne typy fal. Fala podłużna jest związana z kompresją i dekompresją w kierunku jazdy; jest to ten sam proces w gazach i cieczach, z analogiczną falą kompresji w ciałach stałych.
W gazach i cieczach występują tylko fale kompresji. Dodatkowy typ fali, zwany falą poprzeczną lub falą obrotową, występuje tylko w ciałach stałych, ponieważ tylko ciała stałe mogą wytrzymać odkształcenia sprężyste.
Dzieje się tak, ponieważ sprężyste odkształcenie medium jest prostopadłe do kierunku ruchu fali. Kierunek zdeformowanej rotacji nazywany jest polaryzacją tego typu fali. Ogólnie rzecz biorąc, fale poprzeczne występują jako para polaryzacji ortogonalnych.
Te różne typy fal mogą mieć różne prędkości na tej samej częstotliwości. Dlatego mogą dotrzeć do obserwatora w różnych momentach. Przykładem takiej sytuacji są trzęsienia ziemi, w których pierwsze fale sprężania docierają jako pierwsze, a oscylujące fale poprzeczne docierają sekundy później.
Szybkość kompresji fal w płynie zależy od ściśliwości i gęstości ośrodka.
W ciałach stałych fale ściskania są analogiczne do tych występujących w płynach, w zależności od ściśliwości, gęstości i dodatkowych czynników poprzecznego modułu sprężystości.
Prędkość fal obrotowych, które występują tylko w ciałach stałych, jest określona jedynie przez poprzeczny moduł sprężystości i gęstość modułu.
