Jaa:
Mikä on äänen nopeus?
Maapallon ilmapiirissä äänen nopeus se on 343 metriä sekunnissa; tai yksi kilometri 2,91 sekunnissa tai yksi kilometri 4,69 per sekunti.
Äänen nopeus ihanteellisessa kaasussa riippuu vain sen lämpötilasta ja koostumuksesta. Nopeudella on heikko riippuvuus taajuudesta ja tavallisen ilman paineesta, joka poikkeaa hieman ihanteellisesta käyttäytymisestä.
Mikä on äänen nopeus?
Yleensä äänen nopeus tarkoittaa nopeutta, jolla ääniaallot kulkevat ilman läpi. Äänen nopeus vaihtelee kuitenkin aineen mukaan. Esimerkiksi ääni kulkee hitaammin kaasuissa, kulkee nopeammin nesteissä ja jopa nopeammin kiintoaineissa.
Jos äänen nopeus on 343 metriä sekunnissa ilmassa, se tarkoittaa, että se kulkee 1 484 metriä sekunnissa vedessä ja noin 5 120 metriä sekunnissa rautaa. Poikkeuksellisen kovassa materiaalissa, kuten esimerkiksi timantissa, ääni kulkee 12 000 metriä sekunnissa. Tämä on suurin nopeus, jolla ääni voi liikkua normaaleissa olosuhteissa.
Kiinteissä aineissa olevat ääniaallot koostuvat puristusaaltoista, kuten kaasuissa ja nesteissä, ja erilaisten aaltojen, joita kutsutaan pyörimisaaltoiksi, vain kiintoaineissa. Kiintoainesuuntaiset aallot kulkevat yleensä eri nopeuksilla.
Puristusaaltojen nopeus kiintoaineissa määräytyy väliaineen kokoonpuristuvuuden, tiheyden ja poikittaismoduulin mukaan. Kiertoaaltojen nopeus määräytyy ainoastaan moduulin tiheyden ja poikittaisen elastisuuden moduulin mukaan.
Dynaamisessa nesteessä äänen nopeutta nestemäisessä väliaineessa, joko kaasussa tai nesteessä, käytetään suhteellisena mittana väliaineen läpi liikkuvan kohteen nopeuden suhteen..
Objektin nopeuden suhdetta valon nopeuteen nesteessä kutsutaan objektin maaliskuun numeroksi. Objekteihin, jotka liikkuvat nopeammin kuin maaliskuu 1, viitataan yliäänikierrosnopeuksina.
Peruskäsitteet
Äänen siirtoa voidaan havainnollistaa mallilla, joka koostuu sarjasta palloja, jotka on liitetty yhteen johtimien kanssa.
Todellisessa elämässä pallot edustavat molekyylejä ja langat edustavat niiden välisiä yhteyksiä. Ääni kulkee mallin läpi, joka tiivistää ja laajentaa langoja ja lähettää energiaa naapuripalloille, jotka puolestaan välittävät energian langoilleen ja niin edelleen..
Äänen nopeus mallin mukaan riippuu kierteiden jäykkyydestä ja pallojen massasta.
Niin kauan kuin pallojen välinen tila on vakio, jäykemmät kierteet lähettävät energiaa nopeammin ja pallot, joissa on enemmän massansiirtoenergiaa, hitaammin. Tämän mallin avulla voidaan ymmärtää myös sellaisia vaikutuksia kuin sironta ja heijastus.
Kaikissa todellisissa materiaaleissa lankojen jäykkyys on nimeltään elastinen moduuli ja massa vastaa tiheyttä. Jos kaikki muut asiat ovat yhtäläisiä, ääni kulkee hitaammin huokoisissa materiaaleissa ja nopeammin jäykemmissä materiaaleissa.
Esimerkiksi ääni kulkee nikkelin kautta 1,59 kertaa nopeammin kuin pronssi, koska nikkelin jäykkyys on suurempi samalla tiheydellä.
Samoin ääni kulkee 1,41 kertaa nopeammin kevyessä vetykaasussa (protium) kuin raskaassa vetykaasussa (deuteriumissa), koska raskaalla kaasulla on samanlaiset ominaisuudet, mutta sillä on kaksinkertainen tiheys.
Samalla "kompressiotyyppinen" ääni kulkee nopeammin kiintoaineissa kuin nesteissä ja kulkee nopeammin nesteissä kuin kaasuissa.
Tämä vaikutus johtuu siitä, että kiintoaineilla on enemmän vaikeuksia puristaa kuin nesteitä, kun taas nesteet ovat toisaalta vaikeampia puristaa kuin kaasut..
Puristusaallot ja pyörivät aallot
Kaasussa tai nesteessä ääni koostuu puristusaaltoista. Kiinteissä aineissa aallot etenevät kahden eri aallon läpi. Pitkittäinen aalto liittyy puristukseen ja purkamiseen ajosuunnassa; se on sama prosessi kaasuissa ja nesteissä, jossa on vastaava puristusaalto kiintoaineissa.
Kaasuissa ja nesteissä on vain puristusaaltoja. Lisätyyppinen aalto, jota kutsutaan poikittaisaalloksi tai kiertoaalloksi, esiintyy vain kiintoaineissa, koska vain kiinteät aineet kestävät elastisia muodonmuutoksia.
Tämä johtuu siitä, että elatusaineen elastinen muodonmuutos on kohtisuorassa aallon kulkusuuntaan nähden. Muodostuneen pyörimisen suuntaa kutsutaan tämän tyyppisen aallon polarisaatioksi. Yleensä poikittaiset aallot esiintyvät ortogonaalisten polarisaatioiden parina.
Näillä eri aallotyypeillä voi olla eri nopeudet samalla taajuudella. Siksi he voivat tavata tarkkailijan eri aikoina. Esimerkki tästä tilanteesta tapahtuu maanjäristyksissä, joissa akuutit puristusaallot saapuvat ensin ja värähtelevät poikittaiset aallot saapuvat sekuntia myöhemmin.
Aaltojen puristusnopeus nesteessä määräytyy väliaineen kokoonpuristuvuuden ja tiheyden perusteella.
Kiinteissä aineissa puristusaallot ovat samanlaisia kuin nesteissä havaitut aallot riippuen puristettavuudesta, tiheydestä ja ylimääräisistä tekijöistä, joilla on poikittainen joustavuusmoduuli.
Pyörimisaaltojen nopeus, joka esiintyy vain kiinteissä aineissa, määräytyy vain poikittaisen elastisuuden moduulin ja moduulin tiheyden perusteella..
viittaukset
- Äänen nopeus eri massamateriaaleissa. Hyperfysiikka Haettu hyperphysics.phy-astr.gsu.edusta.
- Äänen nopeus. Haettu osoitteesta mathpages.com.
- Akustiikan pääkäsikirja. (2001). New York, Yhdysvallat. McGraw-Hill. Haettu osoitteesta wikipedia.com.
- Äänen nopeus vedessä lämpötiloissa. Engineering Toolbox. Haettu osoitteesta engineeringtoolbox.com.
- Äänen nopeus ilmassa. Musiikkilappujen fysiikka. Haettu osoitteesta phy.mtu.edu.
- Ilmakehän vaikutukset äänen nopeuteen. (1979). Puolustusteknisen tietokeskuksen tekninen raportti. Haettu osoitteesta wikipedia.com.