Мы расскажем, чему равна скорость звука, и как это знание применяется в современных технологиях ― от медицинской диагностики до сверхзвуковой авиации.
Что такое скорость звука и чему она равна
Скорость звука — это распространение механических колебаний. В отличие от света, который может двигаться в вакууме, звуковой волне нужна среда — воздух, вода, газ или металл. Например, при температуре +20°C она составляет примерно 343 метра в секунду (или около 1235 километров в час). Однако показатель не является постоянным и также зависит от давления, влажности и даже высоты над уровнем моря.
Скорость звука важна не только для физиков и инженеров. Доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах ИТМО Иван Иорш поясняет, почему этот параметр учитывают и в других сферах:
При превышении летательным аппаратом скорости звука кардинально меняется режим полета, возникают ударные волны, меняются аэродинамические свойства аппарата. В медицине одним из важных диагностических методов является ультразвуковая диагностика (УЗИ): скорость звука различна для разных тканей, и это позволяет дифференцировать их при диагностике.
Скорость звука в воздухе при разных температурах
С повышением температуры воздуха молекулы ускоряют движение, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости распространения звука. В таблице показываем, как это происходит.
| Температура воздуха (°C) | Скорость звука (м/с) |
|---|---|
| -10 | 325 |
| 0 | 331 |
| +10 | 337 |
| +20 | 343 |
| +30 | 349 |
| +40 | 355 |
Скорость звука в разных средах
Как мы уже выяснили, влияет не только температура, но и среда, в которой звук распространяется. В более плотных веществах, как правило, он движется быстрее. Разницу значений можно увидеть.
| Среда | Скорость звука (м/с) |
|---|---|
| Воздух (20°C) | 343 |
| Пресная вода (25°C) | 1497 |
| Морская вода (25°C) | 1531 |
| Сталь | ~5100 |
| Стекло | ~5200 |
| Стекло | ~6400 |
Чтобы рассчитать, как быстро двигается звуковая волна в воздухе или в другой среде, можно также использовать формулы, о которых мы расскажем подробнее дальше.
Формула скорости звука и примеры расчета
Скорость звука в разных средах можно рассчитать с помощью физических формул. Ниже мы рассмотрим все варианты.
Как рассчитать скорость звука в воздухе
Наиболее распространенное уравнение для вычисления скорости звуковых колебаний в сухом воздухе при температуре T (в градусах Цельсия):
v = 331 + 0.6 ⋅T
Где:
- v — скорость звука в м/с,
- T — температура воздуха в °C.
Пример расчета:
Пусть температура воздуха составляет +25°C. Подставим в формулу:
v = 331 + 0,6 ⋅ 25 = 331 + 15 = 346 м/с
Таким образом, при температуре +25°C скорость звука в воздухе составит 346 м/с.
Эта формула годится для приближенных расчетов. Но есть и другие, позволяющие получить более точные результаты.
Другие формулы
В научных и инженерных задачах для вычисления скорости распространения звука в идеальных газах применяется следующая формула:
Где:
- γ — показатель адиабаты (для воздуха ≈ 1,4),
- R — универсальная газовая постоянная (≈ 8,314 Дж/(моль·K)),
- T — температура,
- M — молярная масса газа (для воздуха ≈ 0,029 кг/моль).
Для жидкостей и твердых тел используются уравнения, основанные на параметрах упругости и плотности:
Где:
- E — модуль Юнга (упругость материала),
- K — модуль объемного сжатия,
- ρ — плотность вещества.
От чего зависит скорость звука
На скорость звука влияют температура, плотность, давление среды, ее химический состав и агрегатное состояние вещества. Чтобы лучше понять, рассмотрим каждый параметр отдельно.
Температура
Один из ключевых факторов. Его повышение увеличивает кинетическую энергию молекул, заставляя их двигаться быстрее. Это ускоряет передачу колебаний, что ведет к росту скорости звука.
- В воздухе скорость звука возрастает примерно на 0,6 м/с с каждым градусом Цельсия.
- Например, при 0°C звук распространяется со скоростью 331 м/с, а при +20°C его скорость достигает 343 м/с.
— Скорость звука зависит от свойств материала, в котором он распространяется. Если совсем грубо, она пропорциональна квадратному корню из отношения сжимаемости и плотности среды, — объясняет эксперт. — Для простейшего случая идеального газа (взаимодействия между молекулами которого очень малы), это приводит к корневой зависимости скорости звука от температуры. В целом, в зависимости от материала и температурного диапазона, скорость звука может как расти, так и убывать с температурой.
Плотность среды
Плотность — это масса вещества, приходящаяся на единицу объема. В плотных средах молекулы расположены ближе друг к другу, что позволяет быстрее передавать механическую энергию. В воздухе молекулы находятся на значительном расстоянии, что затрудняет распространение звуковых волн.
- В жидкостях и твердых телах молекулы располагаются плотнее, чем в газах, поэтому колебания распространяются быстрее.
- Например, в воде молекулы находятся ближе друг к другу, чем в воздухе, что повышает значение скорости звука в секунду.
Давление
Давление и температура тесно связаны. Например, в газах при постоянной температуре повышение давления не меняет скорость звука, так как и плотность тоже увеличивается пропорционально. Но в изменяющихся условиях, например, при охлаждении, давление может влиять на скорость звука.
Агрегатное состояние вещества
Как уже упоминалось, агрегатное состояние вещества играет ключевую роль. В жидкостях и твердых телах молекулы располагаются плотнее, что способствует более быстрому распространению звуковых волн.
- В газах скорость звука относительно низкая, так как молекулы находятся на большем расстоянии друг от друга.
- В жидкостях молекулы более плотно упакованы, и скорость звука выше.
- В твердых телах молекулы находятся в еще более упорядоченном и плотном состоянии, что позволяет звуковым волнам распространяться с максимальной скоростью.
Влажность
Влажность воздуха также может оказывать влияние. Когда воздух более влажный, молекулы воды в воздухе легче передают звуковые колебания, что увеличивает скорость.
Химический состав среды
Для каждого газа скорость звука будет разной в зависимости от молекулярной массы газа. Например, колебания в кислороде будут распространяться быстрее, чем в углекислом газе, из-за меньшей молекулярной массы кислорода.
Звук в углекислом газе (CO₂) будет распространяться медленнее, чем в воздухе, поскольку молекулы CO₂ тяжелее молекул азота и кислорода.
Почему в жидкостях и твердых телах звук распространяется быстрее
В твердых телах молекулы образуют упорядоченную кристаллическую решетку, что позволяет им эффективно передавать колебания. От одной молекулы они быстро передаются соседним, благодаря чему звук распространяется с высокой скоростью. Например, в стали звуковая волна движется со скоростью около 5000 м/с, что намного быстрее, чем в воздухе.
В жидкостях молекулы движутся свободнее, чем в твердых телах, но все же менее свободно, чем в газах. Вода плотнее воздуха, и ее молекулы передают колебания быстрее. Скорость звука в воде составляет примерно 1500 м/с, что в 4,5 раза выше, чем в воздухе, в других средах она будет такой:
Для сравнения:
- в стали — 5000 м/с;
- в воде — около 1500 м/с;
- в воздухе — примерно 343 м/с при температуре +20°C.
Таким образом, чем плотнее среда, тем быстрее в ней распространяются звуковые волны.
Интересные факты о звуке в космосе и вакууме
Звук нуждается в материальной среде. В космосе звуковые волны просто не могут существовать. Это правило распространяется на космические станции и межзвездное пространство. Например, если астронавт окажется в открытом космосе и случится взрыв, он его не услышит.
Впрочем, существуют среды, такие как межзвездный газ или плотные облака, где звук распространяется, хотя и медленно. Это происходит из-за низкой плотности этих объектов. Вакуум обладает особыми свойствами. Хотя в нем нет звука в привычном понимании, ученые фиксируют колебания и гравитационные волны с помощью специальных приборов.
Это открывает новые возможности для изучения космических процессов. Например, исследователи используют сонификацию — перевод в звук данных, собранных телескопами в космосе. Так создается настоящая космическая музыка, о которой мы рассказали подробнее в этом материале.
Часто задаваемые вопросы
Скорость звука — простая на первый взгляд тема, но за ней скрыта масса интересных нюансов. Чтобы лучше понять ее, мы собрали ответы на часто задаваемые вопросы.
Какая скорость звука в воздухе при температуре 20°C?
В сухом воздухе при температуре +20°C она составляет примерно 343 метра в секунду. Это значение считается стандартным и часто используется в справочных таблицах и учебной литературе.
Почему скорость звука не является постоянной величиной?
Скорость звука в метрах в секунду зависит от множества физических факторов:
- температуры воздуха (или другой среды);
- плотности вещества;
- давления;
- влажности;
- а также от агрегатного состояния вещества (газ, жидкость, твердое тело).
В чем измеряется скорость звука?
Она измеряется в метрах в секунду (м/с) в системе СИ. Однако иногда может понадобиться расчет скорости звука в километрах в час. Разберем подробнее, как правильно это сделать.
Для преобразования используется коэффициент 3,6:
Скорость (км/ч) = Скорость (м/с) × 3,6
Почему именно 3,6?
- 1 км = 1000 м → 1 м = 0,001 км.
- 1 час = 3600 секунд → 1 секунда = 13600 = 1/3600 часа.
Подставляем в формулу скорости:
Скорость звука в воздухе при +20°C составляет 343 м/с.
Переводим в км/ч:
343 м/с ⋅ 3,6 = 1234,8 км/ч.
Результат: ≈ 1235 км/ч (округляем до целых).
Однако часто требуется посчитать не только, какая скорость звука в км/ч, но и в км/с. Чтобы это рассчитать, используем два подхода: упрощенный и точный.
Для упрощенного расчета нам потребуется учитывать усредненные условия: температуру воздуха +20°C и скорость воздуха 343 м/с.
Чтобы перевести это значение в км/с, используем формулу:
То есть у нас получается величина, равная 0,343.
Для более точного расчета потребуется точное значение температуры воздуха и эта формула:
v = 331 + 0,6⋅T
где:
- v — скорость звука в м/с,
- T — температура воздуха в °C.
Пример расчета:
При T = +10°C:
v= 331 + 0,6⋅10 = 337 м/с = 0,337 км/с.
При T = 30°C:
v= 331 + 0,6⋅30 = 349 м/с = 0,349 км/с.
Рассчитывать скорость звука в километрах в час может понадобиться для оценки и сравнения скоростей в авиации (особенно при полетах на сверхзвуке), при проектировании ракет и самолетов, в научных исследованиях (акустика, физика атмосферы), а также для образовательных целей — например, чтобы наглядно объяснить явления вроде грома после молнии или сравнить скорость звука с движением автомобилей и поездов.
Может ли человек услышать звуковую волну на разных скоростях?
Человек не чувствует скорость звука напрямую — он замечает лишь частоту звуковых колебаний в герцах. Человеческое ухо воспринимает шумы в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, но только если звуковые волны достигают его.
Почему звук в воде слышен иначе, чем в воздухе?
Вода плотнее воздуха, колебания в ней распространяются быстрее — примерно 1500 метров в секунду. Однако человеческое ухо лучше воспринимает звуки в воздухе. Под водой звуки ощущаются иначе, кажутся глухими или искаженными.
Кроме того, под водой звуковые волны проходят через кости черепа, минуя привычные воздушные пути слуха.
Что такое сверхзвуковая скорость?
Сверхзвуковая скорость — это любое движение, превышающее скорость звука в конкретной среде. Например, самолет, летящий со скоростью 343 метра в секунду в воздухе, движется на сверхзвуковой скорости. Это вызывает эффект ударной волны — «звуковой удар», часто сопровождаемый громким хлопком.
Скорость звука — это не абстрактное понятие из учебника. Она имеет огромное значение в науке, технике, медицине и нашей повседневной жизни. Эта величина зависит от множества факторов, таких как температура, плотность и свойства среды, через которую распространяется звук. Понимание нюансов позволяет глубже понять физические явления, оценить сложность и красоту звука.