Πιθανότατα έχετε παρατηρήσει ότι κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας, το πρώτο πράγμα που βλέπετε είναι μια λάμψη φωτός — αστραπή — ακολουθούμενη από τον ήχο της αστραπής. Αυτό οφείλεται στην ταχύτητα του ήχου . Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία ο ήχος μπορεί να ταξιδέψει στον αέρα. Αυτό είναι αρκετά σημαντικό στη φυσική. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για αυτό το φαινόμενο στο άρθρο " Όλα όσα πρέπει να ξέρετε για την αστραπή ".
Επομένως, θα αφιερώσουμε αυτό το άρθρο για να σας πούμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για την ταχύτητα του ήχου και τον τρόπο διάδοσης του.
Ταχύτητα ήχου
Η ταχύτητα με την οποία διαδίδεται ένα ηχητικό κύμα εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του μέσου μέσω του οποίου ταξιδεύει, όχι από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του κύματος ή της δύναμης που το παράγει. Αυτή η ταχύτητα διάδοσης του ήχου ονομάζεται επίσης ταχύτητα του ήχου. Στην ατμόσφαιρα της Γης, σε θερμοκρασία 20°C, η ταχύτητα του ήχου είναι 343 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Η ταχύτητα του ήχου ποικίλλει ανάλογα με το μέσο μέσω του οποίου ταξιδεύει και η κατανόηση του τρόπου διάδοσής του μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα ορισμένα χαρακτηριστικά του μέσου. Όταν αλλάζει η θερμοκρασία του μέσου διάδοσης, αλλάζει και η ταχύτητα του ήχου. Αυτό συμβαίνει επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε αύξηση της συχνότητας των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων που φέρουν δονήσεις, με αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας του κύματος.
Γενικά, η ταχύτητα του ήχου στα στερεά είναι υψηλότερη από ό,τι στα υγρά, και η ταχύτητα του ήχου στα υγρά είναι υψηλότερη από ό,τι στα αέρια. Αυτό συμβαίνει επειδή όσο περισσότερη στερεά ύλη υπάρχει, τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός συνοχής των ατομικών δεσμών, γεγονός που ευνοεί τη διάδοση των ηχητικών κυμάτων. Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό το θέμα, ανατρέξτε στο άρθρο μας σχετικά με το ηχοφράγμα.
Η ταχύτητα διάδοσης του ήχου εξαρτάται κυρίως από την ελαστικότητα του μέσου μέσα στο οποίο ταξιδεύει. Η ελαστικότητα αναφέρεται στην ικανότητα να επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα.
Τι είναι ήχος
Ο ήχος είναι ένα κύμα πίεσης που μπορεί να διαδοθεί στον αέρα μέσω συμπίεσης και υποπίεσης. Ο ήχος που αντιλαμβανόμαστε γύρω μας είναι απλώς ενέργεια που παράγεται από δονήσεις που διαδίδονται στον αέρα ή σε οποιοδήποτε άλλο μέσο και μπορεί να γίνει δεκτός και να ακουστεί όταν φτάσει στο ανθρώπινο αυτί. Γνωρίζουμε ότι ο ήχος ταξιδεύει με τη μορφή κυμάτων.
Τα κύματα είναι δονητικές διαταραχές σε ένα μέσο που μεταφέρουν ενέργεια από το ένα σημείο στο άλλο χωρίς άμεση επαφή μεταξύ τους. Μπορούμε να πούμε ότι ένα κύμα παράγεται από τη δόνηση των σωματιδίων του μέσου από το οποίο διέρχεται, δηλαδή από τη διαδικασία διάδοσης που αντιστοιχεί στη διαμήκη μετατόπιση (προς την κατεύθυνση διάδοσης) των μορίων του αέρα. Η περιοχή μέγιστης μετατόπισης εμφανίζεται όπου το πλάτος της μεταβολής της πίεσης είναι μηδέν και αντίστροφα.
Ο ήχος σε ένα ηχείο
Ο αέρας σε έναν σωλήνα με μεγάφωνο στο ένα άκρο και κλειστό άκρο στο άλλο δονείται σε κύματα. Είναι διαμήκως στατικός. Οι φυσικοί τρόποι δόνησης των σωλήνων με αυτά τα χαρακτηριστικά αντιστοιχούν σε ένα ημιτονοειδές κύμα, του οποίου το μήκος κύματος είναι τέτοιο ώστε να υπάρχει ένα σημείο μηδενικού πλάτους. Ο κόμβος διαφυγής βρίσκεται στο άκρο του μεγαφώνου και στο κλειστό άκρο του σωλήνα, επειδή ο αέρας δεν μπορεί να κινηθεί ελεύθερα λόγω του μεγαφώνου και του ακραίου καπακιού του σωλήνα, αντίστοιχα. Σε αυτούς τους κόμβους, έχουμε μια μέγιστη διακύμανση πίεσης, έναν αντίκόμβο ή αντικόμβο, του στάσιμου κύματος.
Ταχύτητα ήχου σε διαφορετικά μέσα
Η ταχύτητα του ήχου ποικίλλει ανάλογα με το μέσο μέσω του οποίου διαδίδεται το ηχητικό κύμα. Αλλάζει επίσης με τη θερμοκρασία του μέσου. Αυτό συμβαίνει επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της συχνότητας των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων που φέρουν δονήσεις και η αύξηση αυτής της δραστηριότητας αυξάνει την ταχύτητα. Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται άμεσα με τη διάδοση του ήχου στο χώρο.
Για παράδειγμα, ο ήχος μπορεί να ταξιδέψει σε μεγάλες αποστάσεις στο χιόνι. Αυτό οφείλεται στη διάθλαση κάτω από το χιόνι, το οποίο δεν είναι ομοιογενές μέσο. Κάθε στρώμα χιονιού έχει διαφορετική θερμοκρασία . Τα βαθύτερα στρώματα, όπου δεν μπορεί να φτάσει το ηλιακό φως, είναι ψυχρότερα από την επιφάνεια. Σε αυτά τα ψυχρότερα στρώματα κοντά στο έδαφος, η ταχύτητα διάδοσης του ήχου είναι πιο αργή.
Γενικά, η ταχύτητα του ήχου είναι μεγαλύτερη στα στερεά από ό,τι στα υγρά, και μεγαλύτερη στα υγρά από ό,τι στα αέρια. Αυτό συμβαίνει επειδή όσο μεγαλύτερη είναι η συνοχή των ατομικών ή μοριακών δεσμών, τόσο ισχυρότερη είναι η ουσία. Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα (σε θερμοκρασία 20°C) είναι 343,2 m/s.
Ας δούμε την ταχύτητα του ήχου σε ορισμένα μέσα:
- Στον αέρα, στους 0 ° C, ο ήχος ταξιδεύει με ταχύτητα 331 m / s (για κάθε βαθμό Κελσίου η θερμοκρασία αυξάνεται, η ταχύτητα του ήχου αυξάνεται κατά 0,6 m / s).
- Στο νερό (στους 25 ° C) είναι 1593 m / s.
- Στους ιστούς είναι 1540 m / s.
- Σε ξύλο είναι 3700 m / s.
- Σε σκυρόδεμα είναι 4000 m / s.
- Σε χάλυβα είναι 6100 m / s.
- Σε αλουμίνιο είναι 6400 m/s.
- Στο κάδμιο είναι 12400 m / s.
Η ταχύτητα διάδοσης του κύματος πίεσης είναι πολύ σημαντική στη μελέτη του συντονισμού στην πολλαπλή εισαγωγής ενός παλινδρομικού κινητήρα και εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, για τα αέρια, το ατμοποιημένο μείγμα στην πολλαπλή εισαγωγής ή τα καμένα αέρια στην πολλαπλή εξαγωγής εξαρτώνται από την πυκνότητα και την πίεσή τους. Υπάρχει μια σημαντική σχέση μεταξύ της ταχύτητας του ήχου και της κλίσης πίεσης.
Τύποι πολλαπλασιαστικών κυμάτων
Υπάρχουν δύο είδη κυμάτων: τα διαμήκη κύματα και τα εγκάρσια κύματα.
- Διαμήκης κύμα: Κύμα στο οποίο τα σωματίδια ενός μέσου δονούνται από τη μια πλευρά στην άλλη προς την ίδια κατεύθυνση με το κύμα. Το μέσο μπορεί να είναι στερεό, υγρό ή αέριο. Επομένως, τα ηχητικά κύματα είναι διαμήκη κύματα.
- Εγκάρσιο κύμα: Κύμα στο οποίο τα σωματίδια στο μέσο πάλλονται πάνω και κάτω "σε ορθή γωνία" προς την κατεύθυνση της κίνησης του κύματος. Αυτά τα κύματα εμφανίζονται μόνο σε στερεά και υγρά, όχι σε αέρια.
Αλλά να θυμάστε ότι τα κύματα ταξιδεύουν προς όλες τις κατευθύνσεις, επομένως είναι πιο εύκολο να τα σκεφτείτε ότι περνούν μέσα από μια σφαίρα.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για την ταχύτητα του ήχου και τα χαρακτηριστικά του.