Care este viteza sunetului?

În atmosfera Pământului, viteza sunetului este de 343 de metri pe secundă; sau un kilometru la 2.91 pe secundă sau la o milă la 4.69 pe secundă.

Viteza sunetului într-un gaz ideal depinde doar de temperatura și compoziția acestuia. Viteza are o dependență slabă de frecvența și de presiunea din aerul obișnuit, deviind un pic de comportamentul ideal.

Care este viteza sunetului?

De obicei, viteza sunetului se referă la viteza la care undele de sunet se deplasează prin aer. Cu toate acestea, viteza sunetului variază în funcție de substanță. De exemplu, sunetul călătorește mai încet în gaze, călătorește mai repede în lichide și chiar mai rapid în solide.

Dacă viteza sunetului este de 343 de metri pe secundă în aer, înseamnă că acesta se deplasează la 1, 484 de metri pe secundă în apă și la circa 5, 120 de metri pe secundă în fier. Într-un material extrem de dur, cum ar fi diamantul, de exemplu, sunetul se deplasează la 12.000 de metri pe secundă. Aceasta este cea mai mare viteză la care sunetul poate călători în condiții normale.

Undele sonore din solide sunt compuse din valuri de compresie - ca în gaze și lichide - și de un tip diferit de valuri numite valuri de rotație, prezente doar în solide. Undele de rotație în substanțele solide se deplasează de regulă la viteze diferite.

Viteza undelor de compresie în solide este determinată de compresibilitatea, densitatea și modulul transversal de elasticitate a mediului. Viteza undelor de rotație este determinată numai de densitatea și modulul de elasticitate transversală a modulului.

În fluidul dinamic, viteza de zgomot într-un mediu fluid, fie că este vorba despre gaz sau lichid, este folosită ca o măsură relativă pentru viteza unui obiect care se deplasează prin mediu.

Raportul dintre viteza unui obiect și viteza luminii dintr-un fluid este numit Marcajul Numărul unui obiect. Obiectele care se mișcă mai repede decât 1 martie sunt denumite obiecte care călătoresc la viteze supersonice.

Concepte de bază

Transmisia sunetului poate fi ilustrată folosind un model care constă dintr-o serie de bile interconectate prin fire.

În viața reală, bilele reprezintă moleculele și firele reprezintă legăturile dintre ele. Sunetul trece prin modelul de comprimare și extindere a firelor, transmiterea energiei către bilele vecine, care la rândul lor transmit energia la firele lor și așa mai departe.

Viteza sunetului prin model depinde de rigiditatea firelor și de masa bilelor.

Atâta timp cât spațiul dintre bile este constant, firele mai rigide transmit energie mai repede, iar bilele cu mai multă masă transmit mai lentă energie. Efectele cum ar fi împrăștierea și reflexia pot fi de asemenea înțelese prin acest model.

În orice material real, rigiditatea firelor se numește modul de elasticitate, iar masa corespunde densității. Dacă toate celelalte lucruri sunt egale, sunetul va călători mai lent în materiale spongioase și mai rapid în materiale rigide.

De exemplu, sunetul călătorește de 1, 59 ori mai repede prin nichel decât bronzul, deoarece rigiditatea nichelului este mai mare la aceeași densitate.

În mod similar, sunetul călătorește de 1, 41 ori mai rapid într-un gaz hidrogen ușor (protium) decât într-un gaz hidrogen greu (deuteriu), deoarece gazul greu are proprietăți similare, dar are de două ori densitatea.

În același timp, sunetul de tip "compresie" va călători mai repede în solide decât lichidele și va călători mai repede în lichide decât în ​​gaze.

Acest efect se datorează faptului că substanțele solide au compresie mai dificilă decât lichidele, în timp ce lichidele, pe de altă parte, sunt mai greu de comprimat decât gazele.

Undele de compresie și undele de rotație

Într-un gaz sau lichid, sunetul constă în unde de compresie. În solide, undele se propagă prin două tipuri diferite de valuri. Un val longitudinal este asociat cu compresia și decompresia în direcția de deplasare; este același proces în gaze și lichide, cu un val analogic de compresie în solide.

Doar valuri de compresie există în gaze și lichide. Un tip aditional de val, numit undă transversală sau val rotativ, are loc numai în substanțele solide deoarece numai solidele pot rezista deformărilor elastice.

Acest lucru se datorează faptului că deformarea elastică a mediului este perpendiculară pe direcția de deplasare a undelor. Direcția de rotație deformată se numește polarizarea acestui tip de undă. În general, valurile transversale apar ca o pereche de polarizări ortogonale.

Aceste tipuri diferite de valuri pot avea viteze diferite la aceeași frecvență. Prin urmare, pot ajunge la un observator la momente diferite. Un exemplu al acestei situații are loc în cazul cutremurelor, unde undele de compresie acută sosesc mai întâi și valurile transversale oscilante ajung secunde mai târziu.

Viteza de compresie a undelor într-un fluid este determinată de compresibilitatea și densitatea mediului.

În cazul substanțelor solide, undele de compresie sunt analoge cu cele găsite în fluide, în funcție de compresibilitatea, densitatea și factorii adiționali ai modulului transversal de elasticitate.

Viteza undelor de rotație, care apar numai în solide, este determinată numai de modulul transversal de elasticitate și de densitatea modulului.