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 викладається. Що ж, можливо, настав час заповнити цей пробіл у 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, решта представлена вуглекислим і інертними газами. Отже, мова піде про швидкість поширення звуку в газовому середовищі.
Спочатку давайте визначимося, що таке звук. Напевно багато чули вислів «звукові хвилі» або «звукові коливання». Дійсно, наприклад, дифузор звуковідтворювальної колонки коливається з певною частотою, яка класифікується слуховим апаратом людини як звук. Один із законів фізики свідчить, що тиск в газах і рідинах поширюється без зміни в усіх напрямках. Звідси випливає, що в ідеальних умовах швидкість звуку в газах рівномірна. Зрозуміло, насправді має місце її природне затухання. 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 газ - це сукупність атомів певної конфігурації. На відміну від твердих тіл, між атомами в них відносно велику відстань (у порівнянні, наприклад, з кристалічною решіткою металів). Можна навести аналогію з горошинами, розподіленими по ємності з желеподібної масою. Джерело звукових коливань повідомляє імпульс руху найближчим атомам газу. Вони в свою чергу, подібно кулям 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 вище швидкість поширення звуку в ньому. Наприклад, швидкість звуку в повітрі майже в 10 разів менше, ніж в монолітному граніті. Це дуже легко зрозуміти: щоб атом в 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 вище, вони хаотично рухаються і частіше соударяются. Також вірно, що стиснений газ проводить звук набагато швидше, але чемпіоном все-таки є зріджене агрегатний стан. У розрахунках швидкості звуку в газах враховуються початкова щільність, стисливість, температура і коефіцієнт (газова постійна). Власне, все це випливає з вищесказаного.
Все-таки яка швидкість звуку в повітрі? Багато хто вже здогадалися, 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 «сповільнити» звукові хвилі до 319 м / с, так як спочатку атоми в просторі рухаються медленнее-
- підвищення ж її до 500 градусів прискорює поширення звуку майже в півтора рази - до 550 м / с.
Однак наведені дані орієнтовні, оскільки окрім температури на здатність газів проводити звук впливає також тиск, конфігурація простору (приміщення з предметами або відкрита площа), власна рухливість і т.д.
В даний час властивість атмосфери проводити звук активно досліджується. Приміром, один з проектів дозволяє за допомогою реєстрації відбитого звукового сигналу (Луни) визначати температуру шарів повітря.