Prędkość dźwięku
Prędkość dźwięku w określonym ośrodku – prędkość rozchodzenia się w nim podłużnego zaburzenia mechanicznego (fali sprężystej)[1].
Opis
Prędkość dźwięku w substancjach zależy od prędkości przekazywania kolejnym cząsteczkom tej substancji energii drgań cząsteczek. Dla małych natężeń dźwięku prędkość związana z ruchem drgającym jest znacznie mniejsza od prędkości ruchu cieplnego cząsteczek, dlatego prędkość dźwięku nie zależy od jego natężenia ani od częstości drgań[2].
W powietrzu, w temperaturze 15 °C, prędkość rozchodzenia się dźwięku jest równa 340,3 m/s ≈ 1225 km/h. Prędkość ta zmienia się przy zmianie parametrów powietrza.
Temperatura (°C) | Prędkość (m/s) |
---|---|
–40 | 306,5 |
–30 | 312,9 |
–20 | 319,3 |
–10 | 325,6 |
0 | 331,8 |
10 | 337,8 |
15 | 340,3 |
20 | 343,8 |
30 | 349,6 |
40 | 355,3 |
Najważniejszym czynnikiem wpływającym na prędkość dźwięku w powietrzu jest temperatura, w niewielkim stopniu ma wpływ wilgotność powietrza. Nie zauważa się, zgodnie z przewidywaniami modelu gazu doskonałego, wpływu ciśnienia.
Zależność od stanu ośrodka
Gazy
Dla gazu doskonałego prędkość wynosi:
gdzie wykładnik adiabaty
jest stosunkiem ciepła właściwego gazu pod stałym ciśnieniem Cp do jego ciepła właściwego w stałej objętości Cv, przy czym
Zaś iloraz p/ρ jest stosunkiem ciśnienia p gazu w stanie niezakłóconym do jego gęstości ρ, równym:
(R stała gazowa, T temperatura absolutna w skali Kelvina, kB stała Boltzmanna, m masa molowa, μ masa cząsteczkowa).
Doświadczalna formuła określająca zależność prędkości dźwięku w suchym (wilgotność równa zero) powietrzu dana jest przybliżonym wzorem:
gdzie:
- v – prędkość dźwięku,
- θ – temperatura w stopniach Celsjusza [°C].
Wzór ten jest przybliżeniem wzoru wynikającego z równania gazu doskonałego:
Inne substancje
W cieczach oraz ciałach stałych prędkość dźwięku jest większa niż w gazach. W środowiskach izotropowych w ciałach stałych
gdzie E jest modułem Younga, ρ gęstością; w cieczach
gdzie K stanowi współczynnik sprężystości objętościowej.
Historia
Pierwszego przybliżonego pomiaru prędkości dźwięku w powietrzu dokonał Marin Mersenne około 1636[4].
Zależność od materiału
Prędkość rozchodzenia się dźwięku w różnych ośrodkach:
materiał | prędkość (m/s) |
---|---|
guma | 17–30 |
chlor | 206 |
dwutlenek węgla | 259 |
powietrze | 340 |
korek | 500 |
hеl | 965 |
etanol | 1180 |
wodór | 1284 |
rtęć | 1500 |
woda | 1500 |
ołów | 2100 |
ebonit | 2400 |
lód | 3300 |
mosiądz | 4300 |
beton | 3800 |
sosna | 4760 |
jodła | 4890 |
stal | 5100–6000 |
szkło | 6000 |
aluminium | 6300 |
diament | 18 000 |
Fale MHD
Podłużne zaburzenia gęstości plazmy (podłużne fale MHD) bywają nazywane przez astrofizyków dźwiękiem. Fala taka w warunkach małej koncentracji może uzyskiwać znaczne prędkości, np. w:
- otoczeniu Słońca – 10 000 m/s[5]
- w ośrodku międzygwiazdowym – 100 000 m/s[6]
Zobacz też
Przypisy
- ↑ prędkość dźwięku, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-10-15] .
- ↑ Maria Kapuścińska, Fizyka. Podręcznik dla studentów farmacji, Warszawa 1982, wyd. 4 popr. i uzup., ISBN 83-200-0687-2, s. 128.
- ↑ Stanisław Golachowski, Mieczysław Drobner, Akustyka muzyczna, Polskie Wydawnictwo Muzyczne, Kraków 1953, s. 19.
- ↑ Artykuły: W świecie fal, Akustyka, Dźwięk.
- ↑ The heliosphere-interstellar medium interaction: One shock or two?
- ↑ Radio Emission from Normal Galaxies.
Bibliografia
- Właściwości akustyczne drewna. www2.tu.koszalin.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-10-03)].
- Pomiar prędkości dźwięku w powietrzu. ar.krakow.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2009-06-17)].
- Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach
- Analiza dźwięku dzwonu Tuba Dei. fizyka.umk.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-12-20)].