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.