Fizično

Opis zvočne hitrosti in formule, izračun, faktorji

Opis zvočne hitrosti in formule, izračun, faktorji

The Hitrost zvoka To je enakovreden hitrosti, s katero se v določenem mediju širijo vzdolžni valovi, kar ustvarja zaporedne stiske in širitve, kar možgani razlagajo kot zvok.

Tako zvočni val potuje po določeni razdalji na enoto časa, kar je odvisno od medija, skozi katerega se premika. Dejansko zvočni valovi potrebujejo materialni medij, da ustvarijo stiske in razširitve, ki jih omenjamo na začetku. Zato se zvok ne širi.

Slika 1. Nadzvočna ravnina, ki razbije zvočno pregrado. Vir: Pixbay

Ker pa živimo v zračnem oceanu. Hitrost zvoka v zraku in pri 20 ° C je približno 343 m/s (1087 čevljev/s) približno 1242 km/h, če je želena.

Če želite najti hitrost zvoka v mediju, morate malo vedeti o lastnostih tega.

Ker se materialni medij izmenično spreminja, da se lahko zvok širi, je dobro vedeti, kako enostavno ali težko ga je deformirati. Modul stisljivosti B ponuja nam te informacije.

Po drugi strani je gostota medija označena kot ρ Tudi ustrezen bo. Vsak medij ima vztrajnost, ki pomeni odpor na prehod zvočnih valov, v tem primeru pa bo njihova hitrost nižja.

[TOC]

Kako izračunati hitrost zvoka?

Hitrost zvoka v mediju je odvisna od njenih elastičnih lastnosti in vztrajnosti, ki se predstavlja. Biti v Hitrost zvoka, na splošno je res, da:

Elastična lastnost je predstavljena z volumetričnim modulom B, inercialna lastnost. Tako:

Ta izraz velja za zvok s premikanjem tekočine, kot je zrak.

Vam lahko služi: vektorska velikost

Hookejev zakon določa, da je deformacija na sredini sorazmerna. Konstanta sorazmernosti je natančno modul stisljivosti ali volumetrični modul materiala, ki je opredeljen kot:

B = - enotna deformacija/deformacija

Enotna deformacija je sprememba volumna  DV razdeljen med prvotno glasnostjo Vtudi. Kot je količnik med zvezki, nima dimenzij. Znak manj prej B pomeni, da je glede na prizadevanja, ki je povečanje pritiska, končni volumen manjši od začetka. Z vsem tem dobimo:

B = -δP/ (δV/vtudi)

V plinu je volumetrični modul sorazmeren s tlakom Str, Biti konstanta sorazmernosti γ, imenovana plinska adiabatska konstanta. Na ta način:

B = γP

Enote B so enaki pritiskom. Končno ostane hitrost:

Zvočna hitrost v podaljšanih idealnih in trdnih plinih

Ob predpostavki, da je medij idealen plin, lahko tlak zamenjate Str V izrazu, ki je dana za hitrost. Za idealne pline je izpolnjeno:

Kje ρ Je gostota, kot smo že rekli, R To je konstanta plina, M To je molekularna masa in T To je absolutna temperatura v Kelvinu. Na ta način je bila hitrost zvoka v idealnem plinu:

Slika 2. Tako se zvok premika v mediju. Vir: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (Cdang) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0/]]

Zdaj pa poglejmo, kaj se zgodi, če je medij podaljšana trdna snov. V tem primeru je treba upoštevati drugo lastnost medija, kar je vaš odgovor na striženje ali zmanjšanje prizadevanj:

Kje S Je rezan modul, na katerega se je skliceval. V vsem tem predpostavljamo izotropni medij, to je tisti, katerega lastnosti so vedno enake.

Vam lahko služi: toplotna dilatacija

Dejavniki, od katerih je odvisna hitrost zvoka

Kot smo videli, lahko hitrost zvoka v mediju določimo s poznavanjem lastnosti omenjenega medija. Zelo elastični materiali naj se zvok lažje širi, medtem ko najgostejši nasprotujejo.

Temperatura je še en pomemben dejavnik. Iz enačbe za hitrost zvoka v idealnem plinu je razvidno, da pri višji temperaturi T, večja hitrost. Kot vedno, večja je molekularna masa M, nižja hitrost.

Zato hitrost zvoka ni strogo konstanta, saj lahko atmosferski pogoji uvedejo razlike v vrednosti. Pričakuje se, da se pri večji višini nadmorske višine, kjer temperatura postane nižja, hitrost zvoka spušča.

Ocenjuje se, da se v zraku hitrost zvoka poveča za 0,6 m/s na 1 ° C, ki se dvigne. V vodi povečajte 2.5 m/s na višino 1 ° C.

Poleg zgoraj omenjenih faktorjev -elastičnosti, gostote in temperature -so drugi vključeni v širjenje zvočnih valov glede na medij, kot so: na primer:

-Zračna vlaga

-Vodna slanost

-Pritisk

Zvok in temperatura

Iz zgoraj navedenega izhaja, da je temperatura res odločilni dejavnik hitrosti zvoka v mediju.

Ko se snov segreva, se molekule pridobivajo hitreje in se lahko pogosteje trčijo. In bolj ko trčijo, večja je hitrost zvoka v notranjosti.

Zvoki, ki potujejo skozi vzdušje, običajno zanimajo, saj smo v tem potopljeni in večino časa preživimo. V tem primeru je razmerje med hitrostjo zvoka in temperaturo naslednje:

331 m/s je hitrost zvoka v zraku pri 0 ° C. Pri 20 ° C, enakovredni 293 Kelvinu, je hitrost zvoka 343 m/s, kot je omenjeno na začetku.

Vam lahko služi: 13 primerov Newtonovega prvega zakona v resničnem življenju

Machova številka

Številka Macha je nedimenzije, ki jih daje količnik med hitrostjo predmeta, običajno letalo in hitrostjo zvoka. Zelo priročno je vedeti, kako hitro se letalo premika glede na zvok.

Biti M Številka Macha, V hitrost predmeta -letalo- in vs Hitrost zvoka, imamo:

M = v/vs

Na primer, če se letalo premakne na Mach 1, je njegova hitrost enaka hitrosti zvoka, če se premakne na Mach 2, je dvojno in tako naprej. Nekatera brezpilotna eksperimentalna vojaška letala so celo dosegla Mach 20.

Zvok zvoka v različnih medijih (zrak, jeklo, voda ...)

Skoraj vedno zvok potuje hitreje v trdnih snovi kot v tekočinah, zato je hitrejši v tekočinah kot v plini, čeprav obstajajo nekatere izjeme. Določitveni dejavnik je elastičnost okolja, ki je večja kot kohezija med atomi ali molekulami, ki ga sestavljajo,.

Na primer, v vodi se zvok premika hitreje kot v zraku. To takoj opazimo s potopljenjem glave v morju. Zvoke motorjev oddaljenih žil je mogoče videti lažje kot takrat, ko so iz vode.

Nato hitrost zvoka za različne medije, izražena v m/s:

  • Zrak (0 ° C): 331
  • Zrak (100 ° C): 386
  • Sladka voda (25 ° C): 1493
  • Morska voda (25 ° C): 1533

Trdno pri sobni temperaturi

  • Jeklo (ogljik 1018): 5920
  • Sladko železo: 5950
  • Baker: 4660
  • Valjani baker: 5010
  • Srebro: 3600
  • Steklo: 5930
  • Polistiren: 2350
  • Teflon: 1400
  • Porcelan: 5840

Reference

  1. Elcomer. Hitrostna tabela za vnaprej določene materiale. Okreval od: Elcomer.com.
  2. Lonec. Hitrost zvoka. Okreval od: NASA.Gov
  3. Tippens, str. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja. McGraw Hill
  4. Serway, r., Vulle, c. 2011. Osnove fizike. 9na Ed. Cengage učenje.
  5. Univerza Sevilla. Mach številka. Okreval od: laplace.nas.je