Acțiune:
Care este viteza sunetului?
În atmosfera Pământului viteza sonorului 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 numai de temperatura și compoziția acestuia. Viteza are o dependență slabă de frecvența și de presiunea din aerul obișnuit, deviind puțin 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 se deplasează mai lent în gaze, se deplasează mai repede în lichide și chiar mai repede în solide.
Dacă viteza sunetului este de 343 de metri pe secundă în aer, înseamnă că aceasta 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 de exemplu în gaze și lichide - și dintr-un val de valuri rotativ diferit, prezent doar în substanțe solide. Undele de rotație în substanțele solide se deplasează de regulă la viteze diferite.
Viteza undelor de compresie din 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 lichid, fie 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 se numește Numărul de martie al 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 format 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 energia mai repede, iar bilele cu mai multă masă transmit mai lentă energie. Efectele, cum ar fi dispersia și reflexia, pot fi de asemenea înțelese prin acest model.
În orice material real, rigiditatea firelor este numită 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 rapid 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 din 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.
Numai valuri de compresie există în gaze și lichide. Un tip aditional de val, numit undă transversală sau val rotativ, apare 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 undei. Direcția de rotație deformată se numește polarizarea acestui tip de undă. În general, undele 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 se produce numai la solide, este determinată numai de modulul elasticității transversale și de densitatea modulului.
referințe
- Viteza sunetului în diverse medii vrac. Hyperfizica Adus de la hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
- Viteza sunetului. Adus de la mathpages.com.
- Manualul de acustică Master. (2001). New York, Statele Unite ale Americii. McGraw-Hill. Adus de la wikipedia.com.
- Viteza sunetului în apă la temperaturi. Cutia de instrumente pentru inginerie. Adus de la engineeringtoolbox.com.
- Viteza sunetului în aer. Fizica muzicii. Adus de la phy.mtu.edu.
- Efecte atmosferice asupra vitezei sunetului. (1979). Raportul tehnic al Centrului de Informare Tehnică pentru Apărare. Adus de la wikipedia.com.