Olet luultavasti huomannut, että myrskyn aikana näet ensimmäisenä valonvälähdyksen – salaman – jota seuraa salaman ääni. Tämä johtuu äänen nopeudesta . Tutkijat ovat löytäneet suurimman nopeuden, jolla ääni voi kulkea ilmassa. Tämä on melko tärkeää fysiikassa. Voit oppia lisää tästä ilmiöstä artikkelissa " Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää salamasta ".
Siksi aiomme omistaa tämän artikkelin kertomaan sinulle kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää äänen nopeudesta ja sen leviämisestä.
Äänen nopeus
Ääniaallon etenemisnopeus riippuu sen väliaineen ominaisuuksista, jonka läpi se kulkee, ei itse aallon ominaisuuksista tai sitä tuottavasta voimasta. Tätä äänen etenemisnopeutta kutsutaan myös äänen nopeudeksi. Maan ilmakehässä 20 °C:n lämpötilassa äänen nopeus on 343 metriä sekunnissa. Äänen nopeus vaihtelee väliaineen mukaan, jonka läpi se kulkee, ja sen etenemisen ymmärtäminen auttaa meitä ymmärtämään paremmin tiettyjä väliaineen ominaisuuksia. Kun etenemisväliaineen lämpötila muuttuu, myös äänen nopeus muuttuu. Tämä johtuu siitä, että lämpötilan nousu johtaa värähtelyjä kuljettavien hiukkasten välisten vuorovaikutusten taajuuden kasvuun, mikä johtaa aallon nopeuden kasvuun.
Yleisesti ottaen äänen nopeus kiinteissä aineissa on suurempi kuin nesteissä, ja äänen nopeus nesteissä on suurempi kuin kaasuissa. Tämä johtuu siitä, että mitä enemmän kiinteää ainetta on, sitä suurempi on atomien sidosten koheesioaste, mikä suosii ääniaaltojen etenemistä. Jos haluat oppia lisää tästä aiheesta, tutustu äänivallia käsittelevään artikkeliimme.
Äänen etenemisnopeus riippuu ensisijaisesti väliaineen elastisuudesta, jonka läpi se kulkee. Elastisuus viittaa kykyyn palata alkuperäiseen muotoonsa.
Mikä on ääni
Ääni on paineaalto, joka voi levitä ilmassa puristumalla ja alentamalla. Ympärillämme havaitsemamme ääni on yksinkertaisesti energiaa, joka syntyy ilmassa tai missä tahansa muussa väliaineessa leviävistä värähtelyistä, ja se voidaan vastaanottaa ja kuulla, kun se saavuttaa ihmiskorvan. Tiedämme, että ääni kulkee aaltojen muodossa.
Aallot ovat väliaineen värähtelyhäiriöitä, jotka siirtävät energiaa pisteestä toiseen ilman suoraa kosketusta niiden välillä. Voimme sanoa, että aalto syntyy väliaineen hiukkasten värähtelystä, jonka läpi se kulkee; eli etenemisprosessista, joka vastaa ilmamolekyylien pitkittäistä siirtymää (etenemissuunnassa). Suurimman siirtymän alue esiintyy siellä, missä paineenmuutoksen amplitudi on nolla, ja päinvastoin.
Ääni kaiuttimessa
Putkessa, jonka toisessa päässä on kaiutin ja toisessa suljettu pää, ilma värähtelee aaltoina. Se on pituussuunnassa staattinen. Näiden ominaisuuksien omaavien putkien luonnolliset värähtelymuodot vastaavat siniaaltoa, jonka aallonpituus on sellainen, että putken amplitudi on nolla. Pakopiste on kaiuttimen päässä ja putken suljetussa päässä, koska ilma ei voi liikkua vapaasti kaiuttimen ja putken päätykannen vuoksi. Näissä solmukohdissa seisovan aallon paineenvaihtelu on suurin, eli vastapiste tai antinoodi.
Äänen nopeus eri medioissa
Äänen nopeus vaihtelee väliaineen mukaan, jonka läpi ääniaalto etenee. Se muuttuu myös väliaineen lämpötilan mukana. Tämä johtuu siitä, että lämpötilan nousu lisää värähtelyjä kuljettavien hiukkasten välisten vuorovaikutusten taajuutta, ja tämän aktiivisuuden lisääntyminen lisää nopeutta. Tämä ilmiö liittyy suoraan äänen etenemiseen avaruudessa.
Esimerkiksi ääni voi kulkea pitkiä matkoja lumessa. Tämä johtuu lumen alla tapahtuvasta taittumisesta, koska se ei ole homogeeninen väliaine. Jokaisella lumikerroksella on eri lämpötila . Syvemmät kerrokset, joihin auringonvalo ei pääse, ovat kylmempiä kuin pinta. Näissä kylmemmissä kerroksissa lähellä maanpintaa äänen etenemisnopeus on hitaampi.
Yleisesti ottaen äänen nopeus on suurempi kiinteissä aineissa kuin nesteissä ja suurempi nesteissä kuin kaasuissa. Tämä johtuu siitä, että mitä suurempi atomi- tai molekyylisidosten koheesio on, sitä vahvempi aine on. Äänen nopeus ilmassa (20 °C:n lämpötilassa) on 343,2 m/s.
Katsotaanpa äänen nopeutta joissakin medioissa:
- Ilmassa 0 ° C: ssa ääni kulkee nopeudella 331 m / s (jokaista celsiusastetta kohden lämpötila nousee, äänen nopeus kasvaa 0,6 m / s).
- Vedessä (25 ° C) se on 1593 m / s.
- Kudoksissa se on 1540 m / s.
- Puussa se on 3700 m / s.
- Betonissa se on 4000 m / s.
- Teräksessä se on 6100 m / s.
- Alumiinissa se on 6400 m / s.
- Kadmiumissa se on 12400 XNUMX m / s.
Paineaallon etenemisnopeus on erittäin tärkeä mäntämoottorin imusarjan resonanssin tutkimuksessa ja riippuu ympäristön ominaisuuksista. Esimerkiksi kaasujen tapauksessa imusarjassa höyrystyneen seoksen tai pakosarjassa palaneiden kaasujen tiheys ja paine riippuvat niistä. Äänen nopeuden ja painegradientin välillä on tärkeä suhde.
Etenemisaaltojen tyypit
Aaltoja on kahta tyyppiä: pitkittäiset ja poikittaiset aallot.
- Pitkittäinen aalto: Aalto, jossa väliaineen hiukkaset värähtelevät puolelta toiselle samaan suuntaan kuin aalto. Väliaine voi olla kiinteä, nestemäinen tai kaasumainen. Ääniaallot ovat siis pitkittäisiä aaltoja.
- Poikittainen aalto: Aalto, jossa väliaineen hiukkaset värisevät ylös ja alas "suorassa kulmassa" aallon liikesuuntaan nähden. Nämä aallot esiintyvät vain kiinteissä aineissa ja nesteissä, eivät kaasuissa.
Muista kuitenkin, että aallot kulkevat kaikkiin suuntiin, joten on helpompaa ajatella niiden kulkevan pallon läpi.
Toivon, että näiden tietojen avulla voit oppia lisää äänen nopeudesta ja sen ominaisuuksista.