Скорость звука в воздухе и газах

Физика дает звуку такое определение: появление и последующее распространение колебаний в веществе (воздушном пространстве, жидкости или твердом теле). Скорость звука показывает, какое расстояние звуковая волна преодолевает за единицу времени. Зная, какова скорость звука, можно понять, как далеко его будет слышно. В статье мы рассмотрим, как появляется звук, почему он расходится. Сравним звуковые волны в разных средах, узнаем скорость звука в воздухе и газах.

Почему мы слышим звуки

Звук возникает, когда что-то колеблется: голосовые связки, струна, воздух в прорези свистка и т.д. Раньше всего люди заметили распространение звука в воздухе. Аристотель был первым, кто объяснил его появление колебанием тел. Тогда было замечено, что именно воздушная оболочка Земли играет в этом процессе ключевую роль. Современная наука знает, что тело, которое издает звук на Земле, перестанет звучать без воздуха, например, на Луне. Прежде чем перейти к скорости звука в воздухе, рассмотрим одно из свойств этой среды — упругость.

Упругость - причина распространения звука в воздухе

Упругость — это способность сопротивляться давлению, деформации. Ученых долго удивляло, что воздух обладает упругостью. Они сравнивали его с водой. Эту жидкость почти невозможно сжать, и она передает давление во все стороны одинаково. Почему же воздух передает давление направленно, почему мы слышим звук с одной стороны? Ломоносов первым объяснил, что воздух упругий из-за постоянного движения атомов. Сила упругости зависит от плотности. Ломоносов рассуждал так: раз воздух можно сжимать, значит, во-первых, между частицами большие расстояния, во-вторых, атомы при столкновении воздействуют друг на друга. Рассмотрим этот процесс подробнее.

Взаимодействие атомов воздуха

Частицы воздуха находятся в постоянном беспорядочном движении. Каждый атом, столкнувшись с другим, отскакивает от него и отталкивается уже от следующего. Газ расширяется, стремится занять весь объем благодаря толчкам частиц. Не будь на Земле притяжения, атмосфера бы уже давно рассеялась. Еще Галилей установил, что воздух имеет вес. Его частицы под действием силы тяжести упали бы на землю, если бы не сталкивались друг с другом и не меняли в результате свою скорость и направление движения. Вес воздуха создает атмосферное давление, оно распространяется благодаря упругости. Какие же изменения происходят в воздухе из-за колеблющегося тела?

Появление в воздухе звуковой волны

Как только тело выходит из равновесия и начинает колебаться, меняется упругость и давление воздуха. Изменения происходят в близлежащих слоях. С той стороны, куда направлено движение, воздух сжимается, на противоположной стороне — разреживается. Там, где воздух сжимается, давление становится больше атмосферного, а там, где разреживается, понижается на ту же величину. Отклонившись максимально, тело возвращается в начальную точку и движется уже в другую сторону, сжимая противоположный слой воздуха. Цикл повторяется через время, равное частоте колебаний.

Сжатия-разрежения расходятся от близлежащих слоев воздуха в более далекие. Это происходит благодаря упругости среды. Процесс продолжается, пока тело не прекратит двигаться. Распространение сжатий-разрежений называется упругой волной. Как бы далеко она не дошла, волна изменяет в этой точке давление. Давление, превышающее атмосферное, называют акустическим.

Характеристики звуковой волны

Не каждая упругая волна считается звуковой. Звуком мы называем только то, что вызывает изменения акустического давления, которые мы можем воспринять. Это частота от 16-20 Гц до 16-20 тыс. Гц. Один герц равен одному колебанию в секунду. Неслышимые звуки слишком низкой для восприятия частоты называются инфразвуком, а слишком высокой — ультразвуком. Надо заметить, что частота не влияет на скорость звука. Звуки разной частоты, например, инструменты в оркестре, мы слышим одновременно.

Длина звуковой волны — это расстояние между двумя ближайшими слоями сжатого или разреженного воздуха. Большая длина волны означает, что звук услышат на большом расстоянии.

То, как быстро звуковая волна распространится, зависит от среды. Скорость звука в воздухе в 5 раз ниже, чем в воде, и в 15 раз меньше, чем в металлах. Для вычисления скорости нужно знать частоту и длину звуковой волны.

Почему скорость звука в разных средах отличается

Газы, жидкости и твердые тела имеют разную упругость и плотность, а скорость распространения звуковой волны напрямую зависит от этих свойств. Упругость и плотность определяются строением вещества и реакцией частиц на давление, т.е. воздействием звуковой волны.

В твердом теле атомы связаны между собой электрическими силами и образуют кристаллическую решетку. Как только давление смещает одну частицу, вместе с ней сдвигаются и другие. В воздухе и газах все по-другому. Атомы не связаны между собой. Они пребывают в постоянном тепловом движении, а при воздействии звуковой волны к тепловому движению добавляется колебательное. Именно оно задает направление распространению волны.

Скорость звука в воздухе и газах

В разных газах звук распространяется с разной скоростью. При 0°С скорость звука в воздухе составляет около 331 м/с. Это намного меньше, чем в в море (1,5 тыс. м/с) и металлах (5 тыс. м/с).

Интересно, что на скорость звука влияет температура. Так, при 20°С волна проходит 344 метра за секунду.

Если говорить о газах, то неудивительно, что азот и кислород, входящие в состав воздуха, имеют почти такую же скорость звука, как и он. Азот — 334 м/с, кислород — 316 м/с. Скорость звука в водороде и гелие намного выше — 1284 и 965 м/с. Это объясняется закономерностью: чем меньше молекулярная масса, тем больше скорость звука в газе.