Швидкість звуку в повітрі

Швидкість звуку в повітрі


Для багатьох навіть через роки після закінчення школи залишається невідомим, яка ж насправді швидкість звуку в повітрі. Хтось неуважно слухав викладача, а хтось просто не до кінця зрозумів викладений матеріал. Що ж, можливо, настав час заповнити цю прогалину в знаннях. Сьогодні ми не просто вкажемо «сухі» цифри, а пояснимо сам механізм, що визначає швидкість звуку в повітрі.


Як відомо, повітря являє собою сукупність різних газів. Трохи більше 78% припадає на азот, майже 21% займає кисень, частина, що залишилася, представлена вуглекислим і інертними газами. Отже, мова піде про швидкість поширення звуку в газовому середовищі.

Спочатку давайте визначимося, що таке звук. Напевно багато хто чув висловлювання «звукові хвилі» або «звукові коливання». Дійсно, дифузор звуковідтворювальної колонки коливається з певною частотою, яка класифікується слуховим апаратом людини як звук. Один із законів фізики свідчить, що тиск у газах і рідинах поширюється без зміни у всіх напрямках. Звідси випливає, що в ідеальних умовах швидкість звуку в газах рівномірна. Зрозуміло, насправді має місце її природне загасання. Потрібно запам'ятати цю особливість, так як саме вона пояснює, чому швидкість може змінюватися. Але це ми трохи відволіклися від головної теми. Отже, якщо звук - це коливання, то що саме коливається?

Будь-який газ - це сукупність атомів певної конфігурації. На відміну від твердих тіл, між атомами в них відносно велика відстань (порівняно, наприклад, з кристалічною решіткою металів). Можна привести аналогію з горошинами, розподіленими за ємністю з жоврідною масою. Джерело звукових коливань повідомляє імпульс руху найближчим атомам газу. Вони в свою чергу, подібно до куль на більярдному столі, «вдаряють» по сусідніх, і процес повторюється. Швидкість звуку в повітрі якраз і визначає інтенсивність імпульсу-першопричини. Але це лише одна складова. Чим щільніше розташовані атоми речовини, тим вища швидкість поширення звуку в нім. Наприклад, швидкість звуку в повітрі майже в 10 разів менша, ніж у монолітному граніті. Це дуже легко зрозуміти: щоб атом у газі міг «долетіти» до сусіднього і передати йому енергію імпульсу, йому необхідно подолати певну відстань.

Слідство: зі збільшенням температури швидкість поширення хвиль підвищується. Незважаючи на теплове розширення, власна швидкість атомів вища, вони хаотично рухаються і частіше здобуваються. Також вірно, що стиснутий газ проводить звук набагато швидше, але чемпіоном все-таки є скраплений агрегатний стан. У розрахунках швидкості звуку в газах враховуються початкова щільність, стисканість, температура і коефіцієнт (газова постійна). Власне, все це випливає з вищесказаного.

Все-таки яка швидкість звуку в повітрі? Багато хто вже здогадався, що неможливо дати однозначну відповідь. Наведемо лише деякі основні дані:

- при нулі градусів Цельсія на нульовій точці (рівень моря) швидкість звуку становить близько 331 м/с;

- знизивши температуру до - 20 градусів Цельсія, можна «уповільнити» звукові хвилі до 319 м/с, оскільки спочатку атоми в просторі рухаються повільніше;

- підвищення ж її до 500 градусів прискорює поширення звуку майже в півтора рази - до 550 м/с.

Однак наведені дані орієнтовні, оскільки крім температури на здатність газів проводити звук впливає також тиск, конфігурація простору (приміщення з предметами або відкрита площа), власна рухливість тощо.

Наразі властивість атмосфери проводити звук активно досліджується. Наприклад, один з проектів дозволяє за допомогою реєстрації відбитого звукового сигналу (еха) визначати температуру шарів повітря.



Матеріали по темі