Какова скорость звука в воздухе

Скорость звука

Скорость звука в газах (0 °C; 101325 Па), м/с [1]
Азот 334
Аммиак 415
Ацетилен 327
Водород 1284
Воздух 331
Гелий 965
Кислород 316
Метан 430
Угарный газ 338
Углекислый газ 259
Хлор 206

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде — как продольных в газах, жидкостях и твердых телах, так и поперечных (сдвиговых) в твердой среде. Определяется упругостью и плотностью среды. Скорость звука в газах не является величиной постоянной и зависит от температуры данного вещества, в монокристаллах зависит от направления распространения волны и при заданных внешних условиях обычно не зависит от частоты волны и её амплитуды. В тех случаях, когда это не выполняется и скорость звука зависит от частоты, говорят о дисперсии звука. Впервые измерена Уильямом Дерхамом.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах, поэтому при сжижении газа скорость звука возрастает.

Содержание

Расчёт скорости в жидкости и газе

Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле:

где — адиабатическая сжимаемость среды; — плотность.

Для газов эта формула выглядит так:

где — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; — постоянная Больцмана; — универсальная газовая постоянная; — абсолютная температура в кельвинах; — температура в градусах Цельсия; — молекулярная масса; — молярная масса. По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.

Данные выражения являются приближенными, поскольку основываются на уравнениях, описывающих поведение идеального газа. При больших давлениях и температурах необходимо вносить соответствующие поправки.

Для расчета сжимаемости многокомпонентной смеси, состоящей из невзаимодействующих друг с другом жидкостей и/или газов, применяется уравнение Вуда. Это же уравнение применимо и для оценки скорости звука в нейтральных взвесях.

Для растворов и других сложных физико-химических систем (например, природный газ, нефть) данные выражения могут давать очень большую погрешность.

Твёрдые тела

В однородных твёрдых телах могут существовать два типа объемных волн, отличающихся друг от друга поляризацией колебаний относительно направления распространения волны: продольная (P-волна) и поперечная (S-волна). Скорость распространения первой всегда выше, чем скорость второй :

где — модуль всестороннего сжатия; — модуль сдвига; — модуль Юнга; — коэффициент Пуассона. Как и для случая с жидкой или газообразной средой, при расчетах должны использоваться адиабатические модули упругости.

В многофазных средах из-за явлений неупругого поглощения энергии скорость звука, вообще говоря, зависит от частоты колебаний (то есть наблюдается дисперсия скорости). Например, оценка скорости упругих волн в двухфазной пористой среде может быть выполнена с применением уравнений теории Био-Николаевского. При достаточно высоких частотах (выше частоты Био) в такой среде возникают не только продольные и поперечные волны, но также и продольная волна II-рода. При частоте колебаний ниже частоты Био, скорость упругих волн может быть приблизительно оценена с использованием гораздо более простых уравнений Гассмана.

При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объемных волн.

Скорость звука в воде

В чистой воде скорость звука составляет 1500 м/с (см. опыт Колладона—Штурма). Прикладное значение имеет также скорость звука в солёной воде океана. Скорость звука увеличивается в более солёной и более тёплой воде. При большем давлении скорость также возрастает, то есть чем глубже, тем скорость звука больше. Разработано несколько теорий распространения звука в воде.

Например, теория Вильсона 1960 года для нулевой глубины даёт следующее значение скорости звука:

,

где c — скорость звука в метрах в секунду, T — температура в градусах Цельсия, S — солёность в промилле.

Иногда также пользуются упрощённой формулой Лероя:

,

где z — глубина в метрах. Эта формула обеспечивает точность порядка 0,1 м/с для T [2] .

Скорость звука

На фоне клубов чёрного дыма показывается струйка

белого пара. Спустя некоторое время слышен сви­сток. Это машинист подаёт сигнал о приближении поезда.

Ночную тьму пронизывает огненная вспышка, через несколько секунд доносится звук выстрела артиллерий­ского орудия.

Понаблюдайте за работой плотника издали. Вы легко заметите, что когда плотник поднимает топор для сле­дующего удара по дереву, звук слышен только от пер­вого удара.

Всё это убеждает нас в том, что свет и звук распро­страняются с различной скоростью. Свет обгоняет звук, и поэтому мы сначала видим, а потом слышим. Скорость света — самая большая скорость в природе: она равна 300 миллионам метров в одну секунду. Скорость же звука в воздухе составляет всего около 340 метров в секунду, т. е. в 900 тысяч раз меньше.

Интересно отметить, что скорость пули при вылете из ствола винтовки почти в три раза больше скорости звука. Когда пуля летит по прямой линии, то-есть по такому же пути, как и звук, она обгоняет звук выстрела. В этом случае звук не может служить предостереже­нием. Другое дело при стрельбе из гаубиц или миномё­тов. Здесь снаряд летит по кривой (с большим углом возвышения); путь его к цели тем самым удлиняется, и звук выстрела может опередить снаряд.

За движением звуковой волны можно проследить даже взглядом! Представьте себе, что идёт длинная ко­лонна людей с оркестром впереди. Все шагают в такт музыке. Но если посмотреть со стороны, то нетрудно заметить, что последние ряды идут не в ногу с первыми.

Это происходит потому, что звук оркестра до задних рядов доходит позже.

Но скорость звука — величина непостоянная. Даже в одном и том же веществе она не всегда одинакова. Так, в воздухе при двадцатиградусном морозе звук про­ходит 318 метров за секунду, а при 20 градусах тепла— 342,5 метра. В различных твёрдых телах и жидкостях звук также распространяется с различными скоростями.

Рис. 10. Измерение скорости звука в воде. Человек, сидящий в этой лодке, передаёт звук

Скорость звука в воде впервые была измерена в 1827 году. С борта одной лодки на верёвке в воду был спущен колокол (рис. 10). Вторая лодка находилась на расстоянии 13 847 метров от первой (рис. 11). В тот мо­мент, когда на первой лодке молоток ударял в колокол, на ней одновременно производилась и вспышка пороха. На второй лодке человек наблюдал момент вспышки и отмечал момент прихода звука от колокола. Таким пу­тём было вычислено время пробега звуковой волной рас­стояния между лодками по воде. Оказалось, что ско­рость звука в воде в четыре раза больше, чем в воздухе. За одну секунду звук в воде проходит 1435 метров.

В большинстве твёрдых тел скорость звука ещё больше. Например, в дереве она достигает 4800 метров, в стали — 5000 метров, в стекле — 5600 метров в секунду.

Рис. 11. Измерение скорости звука в воде. Здесь человек воспринимает звук

Звуки, различные по высоте, распространяются в од­ном и том же веществе с одинаковой скоростью. Если бы это было не так, то нельзя было бы слушать музыку издалека. Одни звуки обгоняли бы другие и вместо стройной мелодии вдали от оркестра слышался бы про­сто шум.

Некоторые племена, например, племена экваториаль­ной Африки, ещё и поныне непосредственно используют звук как средство связи. Для этой цели чаще всего упо­требляются специальные барабаны. Услышанные в одном месте, условные звуковые сигналы тотчас же передаются

дальше. Таким путём очень скоро всё племя опове­щается о каком-либо событии.

Этот способ требует, однако, много времени. Подсчи­таем, например, с какой быстротой может быть передан звуковой сигнал из Москвы в Ленинград. Расстояние между этими городами 640 километров. Будем считать, что звук в воздухе за одну секунду проходит 340 метров.

Если бы мы могли крикнуть так громко, чтобы звук из Москвы долетел до Ленинграда, нас услышали бы через 31 минуту. Но звук быстро ослабевает с рассто­янием и вскоре становится неслышимым. Чтобы пере­дать звук на такое большое расстояние, его надо по мере затухания воспроизводить в пути с новой силой. Для этого пришлось бы на определённом расстоянии друг от друга расставить людей. Каждый из них, услы­шав сигнал соседа, стоящего ближе к Москве, должен тут же передать его соседу в сторону Ленинграда. Ясно, что на такую передачу будет затрачено значительно больше получаса.

Читайте также  Какие льготы на работе пологаются при беременности

После того как изобрели телефон, телеграф и радио, такой способ передачи звука на большие расстояния потерял смысл.

Современные способы связи основаны на том, что звук передаётся на большие расстояния при помощи электрического тока по проводам (телефон), либо при помощи электромагнитных колебаний, распространяю­щихся в пространстве, практически, мгновенно (радио).

Когда человек говорит в микрофон, включённый в электрическую цепь, звуковые волны вызывают электри­ческие колебания. Эти колебания со скоростью света идут по проводам или по воздуху. Станция приёма по­лученные сигналы снова переводит в звуки. При этом звуковые волны проходят очень короткий путь: от говорящего человека до микрофона и от телефонной трубки или репродуктора до уха слушающего. Всё остальное расстояние звук как бы «переносится» элек­тромагнитными колебаниями. Благодаря такому способу передачи звуки переносятся моментально на тысячи километров.

Представьте себе двух человек, один из которых слушает концерт в зале Московской консерватории, а другой — дома, по радио, находясь где-нибудь на Даль­нем Востоке. Кто из них раньше будет слышать музыку?

Если первый находится в 15—20 метрах от оркестра, то к нему по воздуху звуки дойдут приблизительно за 0,05 секунды.

Эти же звуки, переданные через микрофон на радио­станцию и затем в пространство при помощи радиоволн, помчатся со скоростью 300 тысяч километров в одну секунду и за 0,05 доли секунды они окажутся где-ни­будь в Тихом океане или Америке. Нашего же слуша­теля они достигнут примерно за половину указанного времени. И получается так, что слушающий по радио на расстоянии 7—8 тысяч километров слышит звуки музыки на 0,02—0,03 доли секунды раньше, чем человек, на­ходящийся в концертном зале!

Звуковые волны

Звуковые волны или звук – это колебания частиц, распространяемые волнообразно в какой-либо среде – газообразной, жидкой или твёрдой, – которые воспринимаются органами слуха животных.

Когда мы изучаем свет, то убеждаемся не только в том, что он существует вне нас, но сверх того еще и в том, что нам необходимо иметь глаза для восприятия света, иначе мы и не подозревали бы о нем. Всё вокруг нас погружается в темноту, когда мы закрываем глаза. Точно так же для нас не существовало бы мира звуков, если бы у нас не было органа слуха, который воспринимает их.

Итак, мы называем звуком то, что мы чувствуем нашим слуховым аппаратом. Но явления внешнего мира для нас имеют характер звуковых только с того момента, когда они дошли до наших ушей. Закрыв уши пальцами, мы не услышим разговора, хотя он и продолжается около нас.

  • Звуковые волны, как и свет, представляет собою действие на нас специальных волнообразных движений. Явления, общие для всех родов волнообразного движения, будут иметь место и в свете, и в звуке, хотя существуют огромные различия между тем и другим родом волнообразных движений.
  • Звуковые волны отличаются от света тем, что волнообразные движения происходят не в межзвездном пространстве, а в материальной среде. Такою средою, большею частью, служит воздух. Но ею может быть также всякий газ или смесь газов, ею могут быть и жидкости, как вода, и твердые тела. Там же, где нет обычной материи, не может быть и звука.

Из этого следует, что как бы ни были грандиозны звуковые явления, происходящие на Солнце и Луне, они не могут произвести такого шума, который мог бы быть услышан у нас на Земле, потому что за пределами нашей атмосферы, между Землей и небесными телами, нет обычной материи.

Источники звуковых волн

Мы говорим, что звук есть волнообразные движения или колебания. Каждый, кто видел или чувствовал то, что происходит, когда рождается звук, тотчас согласится с этим. Так, например, если крепко натянуть нить и потом быстро ударить по ней, то можно видеть, как она заколеблется. И услышать при этом небольшой музыкальный звук. То же самое будет наблюдаться в звучащей фортепианной струне или в колоколе. И мы можем ощущать эти колебания, если дотронемся до них.

Мы также знаем, что при ударе по стеклу оно издает звук, который прекращается, если прикосновением пальца прекратить его колебания. Все эти явления служат доказательством того, что известные колебания производят звук. Каждый раз, когда колеблется колокольчик, стакан или струна, воздух получает от них легкие удары. В нем образуется ряд волн, доходящих до нашего уха, вот почему мы и слышим звук.

Нетрудно доказать, что воздух проводит звуковые волны. Для этой цели производят следующий опыт: под стеклянный колпак воздушного насоса помещают электрический звонок, заставляют его непрерывно звенеть. Затем начинают насосом выкачивать воздух.

Когда уменьшается количество воздуха под колпаком, мы видим звонок так же хорошо, как и раньше, потому что свет распространяется, когда воздуха нет. Но звук делается все тише и наконец совершению прекращается. Колебания звонка продолжают совершаться, но так как вокруг него больше нет воздуха, то он не может производить те волны. которые мы называем звуковыми. Если же воздух начинает снова входить под колпак, то звук восстанавливается. Этот простой опыт показывает нам не только то, что воздух служит проводником звука, но и то, что сила звука в значительной степени зависит от состояния воздуха.

Когда у нас появляется возможность сравнить скорость света со скоростью звука, то мы находим между ними огромное различие. Но видим огонь и дым при стрельбе из отдаленной пушки на несколько секунд раньше звука от ее выстрела. Свет распространяется так быстро, что даже значительное расстояние, на котором находится от нас действующее орудие, он проходит в какую-нибудь тысячную долю секунды; тогда как звук распространяется гораздо медленнее, и скорость его распространения при таком опыте очень легко вычислить.

Распространение звуковых волн

Возьмем несколько бильярдных шаров и положим их прямой линией на бильярдном столе так, чтобы они касались друг друга. Затем возьмем еще шар и покатим его так, чтобы он ударил в шар, лежащий на конце ряда. Тогда каждый из шаров в ряду будет попеременно сжиматься и производить давление на следующий за ним, в результате чего шар, находящийся на другом конце ряда, отскочит от него.

Каждый шар ряда здесь попеременно сжимается и расширяется. То же самое случается и в воздухе, когда звук проходит через него. Мы можем представить себе, что волну принуждают двигаться частицы воздуха, ударяющие одна о другую при своих движениях взад и вперед, точно так, как эти бильярдные шары.

Скорость звука

Скорость света одинакова при всех условиях, насколько это можно было изучить. А скорость звука изменяется в значительной степени с изменением условий, при которых он распространяется в воздухе. Большое счастье для музыкального искусства заключается в том, что скорость звука изменяется только в незначительной степени с изменением высоты его или силы.

Было бы очень затруднительно слушать издали музыку, если бы звуки различных инструментов оркестра доходили до нашего слуха в разное время, в то время как композитор имел в виду, что они будут слышаться одновременно. Или, если бы мотив, разыгрываемый одной частью оркестра, доходил до нашего слуха раньше того, что играет другая часть оркестра, или позже.

1. Скорость звука в воздухе

Обычная скорость звука в воздухе считается около 331 метра (То есть около трети километра) в секунду. Когда температура воздуха поднимается, он становится более упругим и тогда прохождение звука через него совершается быстрее.

Скорость звука увеличивается с повышением температуры воздуха, если плотность его остается той же самой.

Если мы примем во внимание зависимость скорости звука от упругости проводящей его среды, то нам будет понятно, почему звук проходит значительно быстрее в жидкостях, чем в газах, и еще быстрее в твердых телах.

Читайте также  Много ли жен изменяют своим мужьям

2. Скорость звуковых волн в твёрдых телах

Звуковые волны распространяются в твёрдых телах быстрее, чем в воздухе. Железо, когда оно в твердом состоянии, обладает большею упругостью, чем воздух, и звук проходит в нем почти в семнадцать раз быстрее, чем в воздухе

Нельзя смешивать скорость распространения звука в воздухе или в какой-либо другой среде с высотой тона. Она у музыкального звука зависит от числа колебаний в секунду, и чем их больше, тем выше тон.

Звук, как мы сказали, проходя через железо, достигает нашего уха в семнадцать раз быстрее, чем когда он проходит через воздух; высота же его тона остается той же самой в обоих случаях, потому что число колебаний в секунду остается одно и то же, хотя звук через железо проходит значительно быстрее.

3. Скорость звука в разных средах

  • Хлор – 206 м/сек
  • Углекислый газ – 259м/сек
  • Кислород – 316 м/сек
  • Водород – 1 284м/сек
  • Неон – 435 м/сек
  • Метан – 430 м/сек
  • Воздух – 331 м/сек
  • Вода – 1 483 м/сек
  • Ртуть – 1 383 м/сек

Твёрдые тела:

  • Стекло – 4 800 м/сек
  • Литий – 6 000 м/сек
  • Алмаз – 12 000 м/сек
  • Железо – 5 950 м/сек
  • Золото – 3 240 м/сек

Сила звука

Когда мы начнем исследовать силу звука на разных расстояниях, то найдем, что первый закон, относительно его, тот же, что и для света. И насколько нам известно, этот закон верен не только относительно волнообразных движений, но и такого явления, как тяготение.

На точном научном языке закон о силе звука излагается так:

Сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от его источника

Таким образом можно коротко и ясно выразить, например, ту мысль, что если мы удаляемся от источника звука на расстояние, которое в три раза больше прежнего, то сила звука уменьшится при этом не в три, а в девять раз: девять есть квадрат трех. Квадратом числа называется число, полученное от перемножения его на самого себя.

Когда этот закон применяется к силе света или тяготения, то нам не приходится считаться с какими-либо условиями, которые могут повлиять на них. Но если речь идёт о звуке, то дело обстоит несколько иначе. На звук влияет плотность той среды, в которой он проходит; в морозную ночь воздух очень плотен, почему нам и дышится тогда легче, звук же будет в это время слышен сильнее. С другой стороны, звук ружейного выстрела высоко в горах ослабляется, потому что воздух там редок. Это явление напоминает нам опыт со звонком под колпаком воздушного насоса.

Отражение звука

Когда мы наблюдаем, как волны моря или озера ударяют в крутой берег, мы видим, что они отражаются от него и отскакивают назад. Если поверхность берега ровная и вертикальная, то мы видим, что волны отражаются от нее точно так же, как мяч от стены. Если звук есть действительно волнообразное движение, то мы всегда можем ожидать, что и он будет так же отражаться, как водяные волны, и нам часто приходится убеждаться в этом.

Всякие движущиеся волны могут отражаться от преград на их пути; это совершается как при свете, так и при морских волнах. Есть законы отражения, которые одинаково приложимы к этим различным явлениям.

  1. Первый из них говорит, что угол падения волны равен углу ее отражения: это значит, что угол, под которым волна достигает поверхности, точно такой, под которым волна удаляется от нее в другую сторону. Точно такое же явление происходит при бросании мяча в стену. Если мы бросим мяч в стену в перпендикулярном направлении, то в таком же направлении он отскочит от нее; если мы бросим мяч вкось, он так же вкось отскочит. А в том случае, когда стена плоская и на мяче нет никаких неровностей и если при этом мы можем измерить угол, под которым мяч падает на стену, и тот, под которым он отскакивает от нее, то всегда найдем, что оба эти угла равны.

  1. Второй: плоскость, в которой волна приближается, всегда та же самая, по которой она удаляется от отражаемой ее поверхности. Предположим, например, что звук движется по поверхности листа бумаги и на краю листа ударяется в перпендикулярную к нему стену. Он отразится не только под тем же углом, под которым приближался, а пойдет назад опять в плоскости листа бумаги, не уклоняясь ни вверх, ни вниз.

Природа грома

Мы все хорошо знаем, что на открытом воздухе звук кажется нам не таким, как в закрытом помещении. И наш голос в разных местах звучит различно. Все эти явления зависят от особенностей отражения звука в разных местах.

Самым лучшим способом для доказательства отражения звука может служить эхо. Мы можем довольно простым способом определить скорость звука, стоит только нам произвести звук на некотором расстоянии от отражающей его поверхности и заметить, как быстро мы услышим эхо.

Лучшим примером отражения звука, производящего эхо, являются раскаты грома, случающиеся во время грозы:

  • Гром — это сотрясение воздуха, образующее звук
  • Он происходят благодаря тому, что молния проходит от облака к облаку или от облака к земле.
  • Если нет эха, то мы слышим просто единичный удар грома, соответствующий одной мгновенной причине, производящей его
  • Когда же мы слышим раскаты грома, мы просто слышим эхо одного и того же удара, отражающегося много раз от облаков к земле

Волны Рэлея

Если мы наполним резиновый шар или выпуклый диск углекислым газом, то заметим, что он действует на звук точно так, как зажигательное стекло на световые лучи. Звуковые волны отклоняются газом, находящимся в шаре, так что они все собираются в одном пункте, находящемся по другую сторону шара точно так, как лучи солнца могут быть собраны на кусок бумаги в одну точку зажигательным стеклом.

Это видно из хорошо известного опыта, произведенного замечательным английским ученым, лордом Рэлеем. Опыт этот заключается в том, что нас ставят против часов на таком расстоянии, чтобы не слышать их тиканья. Если после этого гуттаперчевый шар, наполненный углекислым газом, будет помещен между нами и часами, то, находясь на том же самом расстоянии, мы услышим часы. Это происходит вследствие того, что углекислый газ преломляет звуковые волны и фокусирует их в одной точке.

Какова скорость звука?

Какова скорость звука?

Если мы слышим какой-либо звук, значит, поблизости должен находиться вибрирующий предмет, который колеблется. Звуки исходят от вибрирующих предметов.

Но звук должен где-то распространяться. Что-то должно его переносить от источника к приемнику. Это что-то называется «среда». Средой может служить что угодно — воздух, вода, предметы, даже земля. Индейцы прикладывали ухо к земле, чтобы услышать отдаленные звуки.

Нет среды — нет и звука. Если в каком-то объеме создать вакуум, звук в нем не сможет распространяться. Это связано с тем, что звук распространяется волнами. Вибрирующий предмет передает свою вибрацию соседним молекулам или частичкам. Происходит передача движения от одной частички к другой, что приводит к появлению звуковой волны.

Средой распространения звуковых волн могут быть различные материалы — дерево, воздух, вода; следовательно, скорость распространения звуковых волн должна быть различной. Если мы говорим о скорости звука, мы должны спросить: а в какой среде?

Скорость звука в воздухе составляет около 335 м/сек. Но это при температуре 0 °C. С повышением температуры скорость распространения звука также увеличивается.

В воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе. При температуре 8 °C скорость его распространения составляет около 1435 м/сек, или около 6 тыс. км/час. В металле эта скорость достигает порядка 5000 м/сек, или 20 000 км/час.

Ты, наверное, думаешь, что сильный звук имеет более высокую скорость, чем слабый, но это не так. Его скорость не зависит и от его высоты (высокий или низкий). Скорость звука зависит от среды его распространения.

Ты можешь сам провести опыт по сравнению скорости звука в разных средах. Зайди в воду и ударь друг о друга двумя камнями. Теперь опустись под воду и снова постучи этими камнями. Ты удивишься тому, что звук распространяется в воде лучше, чем в воздухе.

Читайте также  В чем разница между блендером и измельчителем

Читайте также

Как велика скорость звука?

Как велика скорость звука? Скоростью звука называют скорость распространения звуковых волн в среде. Скорость звука зависит от механических свойств среды, в которой он распространяется. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых

Как впервые измерили скорость звука в воде?

Как впервые измерили скорость звука в воде? Скорость звука в воде впервые была экспериментально определена сравнительно недавно – в первой половине XIX века. Сделано это было на Женевском озере. Два физика сели в лодки и разъехались километра на три один от другого. С

Какова её тема?

Какова её тема? Темой мы подробно займемся в разделе 11. Если говорить коротко, «тема» — это смысл, кроющийся за действием пьесы, то, что автор «хотел сказать». Например, если предметом повести есть распад семьи, вызванный изменой, то тема может звучать так: «любовь сильнее,

Какова скорость мысли?

Какова скорость мысли? Правда ли то, что мысль имеет самую большую скорость, какую только можно представать? Когда-то, в давние времена, это считалось бесспорным, что и объясняет такие выражения, как «быстрее мысли». Сегодня нам известно, что мысль представляет собой

Какова наиболее экономически выгодная скорость автомобиля?

Какова наиболее экономически выгодная скорость автомобиля? Годами автопроизводители твердили всем, кто водит машину, что оптимальная скорость езды с точки зрения эффективности использования топлива – около 88,5 км/ч. Но в действительности эта цифра гораздо ниже.В 2008 г.

Внутри транспортного средства, едущего со скоростью 300 км/ч, летает муха; какова в этот момент скорость полёта мухи?

Внутри транспортного средства, едущего со скоростью 300 км/ч, летает муха; какова в этот момент скорость полёта мухи? ВЛАДИМИР ОВЧИНКИНКандидат технических наук, профессор МФТИСкорость всегда рассчитывается относительно чего-либо. Относительно машины муха будет

Как велика скорость звука?

Как велика скорость звука? Скоростью звука называют скорость распространения звуковых волн в среде. Скорость звука зависит от механических свойств среды, в которой он распространяется. В газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых

Скорость звука в воздухе и газах

Физика дает звуку такое определение: появление и последующее распространение колебаний в веществе (воздушном пространстве, жидкости или твердом теле). Скорость звука показывает, какое расстояние звуковая волна преодолевает за единицу времени. Зная, какова скорость звука, можно понять, как далеко его будет слышно. В статье мы рассмотрим, как появляется звук, почему он расходится. Сравним звуковые волны в разных средах, узнаем скорость звука в воздухе и газах.

Почему мы слышим звуки

Звук возникает, когда что-то колеблется: голосовые связки, струна, воздух в прорези свистка и т.д. Раньше всего люди заметили распространение звука в воздухе. Аристотель был первым, кто объяснил его появление колебанием тел. Тогда было замечено, что именно воздушная оболочка Земли играет в этом процессе ключевую роль. Современная наука знает, что тело, которое издает звук на Земле, перестанет звучать без воздуха, например, на Луне. Прежде чем перейти к скорости звука в воздухе, рассмотрим одно из свойств этой среды — упругость.

Упругость — причина распространения звука в воздухе

Упругость — это способность сопротивляться давлению, деформации. Ученых долго удивляло, что воздух обладает упругостью. Они сравнивали его с водой. Эту жидкость почти невозможно сжать, и она передает давление во все стороны одинаково. Почему же воздух передает давление направленно, почему мы слышим звук с одной стороны? Ломоносов первым объяснил, что воздух упругий из-за постоянного движения атомов. Сила упругости зависит от плотности. Ломоносов рассуждал так: раз воздух можно сжимать, значит, во-первых, между частицами большие расстояния, во-вторых, атомы при столкновении воздействуют друг на друга. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Взаимодействие атомов воздуха

Частицы воздуха находятся в постоянном беспорядочном движении. Каждый атом, столкнувшись с другим, отскакивает от него и отталкивается уже от следующего. Газ расширяется, стремится занять весь объем благодаря толчкам частиц. Не будь на Земле притяжения, атмосфера бы уже давно рассеялась. Еще Галилей установил, что воздух имеет вес. Его частицы под действием силы тяжести упали бы на землю, если бы не сталкивались друг с другом и не меняли в результате свою скорость и направление движения. Вес воздуха создает атмосферное давление, оно распространяется благодаря упругости. Какие же изменения происходят в воздухе из-за колеблющегося тела?

Появление в воздухе звуковой волны

Как только тело выходит из равновесия и начинает колебаться, меняется упругость и давление воздуха. Изменения происходят в близлежащих слоях. С той стороны, куда направлено движение, воздух сжимается, на противоположной стороне — разреживается. Там, где воздух сжимается, давление становится больше атмосферного, а там, где разреживается, понижается на ту же величину. Отклонившись максимально, тело возвращается в начальную точку и движется уже в другую сторону, сжимая противоположный слой воздуха. Цикл повторяется через время, равное частоте колебаний.

Сжатия-разрежения расходятся от близлежащих слоев воздуха в более далекие. Это происходит благодаря упругости среды. Процесс продолжается, пока тело не прекратит двигаться. Распространение сжатий-разрежений называется упругой волной. Как бы далеко она не дошла, волна изменяет в этой точке давление. Давление, превышающее атмосферное, называют акустическим.

Характеристики звуковой волны

Не каждая упругая волна считается звуковой. Звуком мы называем только то, что вызывает изменения акустического давления, которые мы можем воспринять. Это частота от 16-20 Гц до 16-20 тыс. Гц. Один герц равен одному колебанию в секунду. Неслышимые звуки слишком низкой для восприятия частоты называются инфразвуком, а слишком высокой — ультразвуком. Надо заметить, что частота не влияет на скорость звука. Звуки разной частоты, например, инструменты в оркестре, мы слышим одновременно.

Длина звуковой волны — это расстояние между двумя ближайшими слоями сжатого или разреженного воздуха. Большая длина волны означает, что звук услышат на большом расстоянии.

То, как быстро звуковая волна распространится, зависит от среды. Скорость звука в воздухе в 5 раз ниже, чем в воде, и в 15 раз меньше, чем в металлах. Для вычисления скорости нужно знать частоту и длину звуковой волны.

Почему скорость звука в разных средах отличается

Газы, жидкости и твердые тела имеют разную упругость и плотность, а скорость распространения звуковой волны напрямую зависит от этих свойств. Упругость и плотность определяются строением вещества и реакцией частиц на давление, т.е. воздействием звуковой волны.

В твердом теле атомы связаны между собой электрическими силами и образуют кристаллическую решетку. Как только давление смещает одну частицу, вместе с ней сдвигаются и другие. В воздухе и газах все по-другому. Атомы не связаны между собой. Они пребывают в постоянном тепловом движении, а при воздействии звуковой волны к тепловому движению добавляется колебательное. Именно оно задает направление распространению волны.

Скорость звука в воздухе и газах

В разных газах звук распространяется с разной скоростью. При 0°С скорость звука в воздухе составляет около 331 м/с. Это намного меньше, чем в в море (1,5 тыс. м/с) и металлах (5 тыс. м/с).

Интересно, что на скорость звука влияет температура. Так, при 20°С волна проходит 344 метра за секунду.

Если говорить о газах, то неудивительно, что азот и кислород, входящие в состав воздуха, имеют почти такую же скорость звука, как и он. Азот — 334 м/с, кислород — 316 м/с. Скорость звука в водороде и гелие намного выше — 1284 и 965 м/с. Это объясняется закономерностью: чем меньше молекулярная масса, тем больше скорость звука в газе.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: