Швидкість звуку в повітрі і газах

Фізика дає звуку таке визначення: поява і подальше поширення коливань в речовині (повітряному просторі, рідині чи твердому тілі). Швидкість звуку показує, яку відстань звукова хвиля долає за одиницю часу. Знаючи, яка швидкість звуку, можна зрозуміти, як далеко буде чути. У статті ми розглянемо, як з’являється звук, чому він розходиться. Порівняємо звукові хвилі в різних середовищах, дізнаємося швидкість звуку в повітрі і газах.

Чому ми чуємо звуки

Звук виникає, коли щось коливається: голосові зв’язки, струна, повітря в прорізі свистка і т. д. Раніше всього люди помітили поширення звуку в повітрі. Аристотель був першим, хто пояснив його поява коливанням тел. Тоді було помічено, що саме повітряна оболонка Землі відіграє в цьому процесі ключову роль. Сучасна наука знає, що тіло, яке видає звук на Землі, перестане звучати без повітря, наприклад, на Місяці. Перш ніж перейти до швидкості звуку в повітрі, розглянемо одне із властивостей цього середовища — пружність.

Пружність — причина поширення звуку в повітрі

Пружність — це здатність чинити опір тиску, деформації. Вчених довго дивувало, що повітря має пружністю. Вони порівнювали його з водою. Цю рідину майже неможливо стиснути, і вона передає тиск на всі сторони однаково. Чому ж повітря передає тиск направлено, чому ми чуємо звук з однієї сторони? Ломоносов першим пояснив, що повітря пружний з-за постійного руху атомів. Сила пружності залежить від щільності. Ломоносов міркував так: раз повітря можна стискати, значить, по-перше, між частинками великі відстані, по-друге, атоми при зіткненні впливають один на одного. Розглянемо цей процес детальніше.

Взаємодія атомів повітря

Частинки повітря знаходяться в постійному хаотичному русі. Кожен атом, зіткнувшись з іншим, відскакує від нього і відштовхується вже від наступного. Газ розширюється, прагне зайняти весь обсяг завдяки поштовхів частинок. Не будь на Землі тяжіння, атмосфера би вже давно зникла. Ще Галілей встановив, що повітря має вагу. Його частинки під дією сили тяжіння впав би на землю, якби не стикалися один з одним і не міняли в результаті свою швидкість і напрямок руху. Вага повітря створює атмосферний тиск, воно поширюється завдяки пружності. Які ж зміни відбуваються в повітрі з-за коливного тіла?

Поява звукової хвилі в повітрі

Як тільки тіло виходить з рівноваги і починає коливатися, змінюється пружність та тиск повітря. Зміни відбуваються у сусідніх шарах. З тієї сторони, куди спрямоване рух, повітря стискається, на протилежній стороні — разреживается. Там, де повітря стискається, тиск стає більше атмосферного, а там, де разреживается, знижується на ту ж величину. Відхилившись максимально, тіло повертається в початкову точку і рухається вже в іншу сторону, стискаючи протилежний шар повітря. Цикл повторюється через час, що дорівнює частоті коливань.

Згущення-розрідження розходяться від прилеглих шарів повітря в більш далекі. Це відбувається завдяки пружності середовища. Процес триває, поки тіло не припинить рухатися. Поширення стиснень-разрежений називається пружною хвилею. Як би далеко вона не дійшла, хвиля змінює в цій точці тиск. Тиск, що перевищує атмосферний, називають акустичним.

Характеристики звукової хвилі

Не кожна пружна хвиля вважається звуковий. Звуком ми називаємо тільки те, що викликає зміни акустичного тиску, які ми можемо сприйняти. Це частота від 16-20 Гц до 16-20 тис. Гц. Один герц дорівнює одному коливанню в секунду. Нечутні звуки занадто низькою для сприйняття частоти називаються інфразвуком, а надто високою — ультразвуком. Треба зауважити, що частота не впливає на швидкість звуку. Звуки різної частоти, наприклад, інструменти в оркестрі, ми чуємо одночасно.

Довжина звукової хвилі — це відстань між двома найближчими шарами стисненого або розрідженого повітря. Велика довжина хвилі означає, що звук почують на великій відстані.

Те, як швидко звукова хвиля поширюється, залежить від середовища. Швидкість звуку в повітрі в 5 разів нижче, ніж у воді, і у 15 разів менше, ніж у металах. Для обчислення швидкості потрібно знати частоту і довжину звукової хвилі.

Чому швидкість звуку в різних середовищах відрізняється

Гази, рідини і тверді тіла мають різну пружність і щільність, а швидкість поширення звукової хвилі безпосередньо залежить від цих властивостей. Пружність і щільність визначаються будовою речовини і реакцією частинок на тиск, тобто впливом звукової хвилі.

У твердому тілі атоми зв’язані між собою електричними силами і утворюють кристалічну решітку. Як тільки тиск зміщує одну частку, разом з нею зрушуються інші. В повітрі і газах все по-іншому. Атоми не пов’язані між собою. Вони перебувають у постійному тепловому русі, а під дією звукової хвилі до теплового руху додається коливальний. Саме воно задає напрямок поширення хвилі.

Швидкість звуку в повітрі і газах

В різних газах звук поширюється з різною швидкістю. При 0°С швидкість звуку в повітрі складає близько 331 м/с. Це набагато менше, ніж у море (1,5 тис. м/с) і металах (5 тис. м/с).

Цікаво, що на швидкість звуку впливає температура. Так, при 20°С хвиля проходить 344 метри за секунду.

Якщо говорити про газах, то не дивно, що азот і кисень, що входять до складу повітря, мають майже таку ж швидкість звуку, як і він. Азот — 334 м/с, кисень — 316 м/с. Швидкість звуку у водні та гелие набагато вище — 1284 і 965 м/с. Це пояснюється закономірністю: чим менша молекулярна маса, тим більше швидкість звуку в газі.