Ljudhastighetsbeskrivning och formler, beräkning, faktorer

De Ljudhastighet Det motsvarar hastigheten med vilken längsgående vågor förökas i ett givet medium, vilket ger successiva kompressioner och utvidgningar, som hjärnan tolkar som ljud.

Således reser ljudvågen ett visst avstånd per tidsenhet, vilket beror på mediet genom vilket det rör sig. I själva verket kräver ljudvågor ett materialmedium för att producera kompressioner och utvidgningar som vi nämner i början. Det är därför ljudet inte sprids.

Figur 1. Supersonic plan som bryter ljudbarriären. Källa: Pixbay

Men när vi bor nedsänkta i ett lufthav har ljudvågorna ett sätt att flytta och tillåta auditionen. Ljudhastigheten i luften och vid 20 ºC är 343 m/s (1087 fot/s) ungefär, eller cirka 1242 km/h om det föredras.

För att hitta ljudhastigheten i ett medium måste du veta lite om egenskaperna för detta.

Eftersom materialmediet modifieras växelvis så att ljudet kan spridas är det bra att veta hur enkelt eller svårt det är att deformera det. Kompressibilitetsmodulen B Erbjuder oss den informationen.

Å andra sidan betecknar mediet densiteten ρ Det kommer också att vara relevant. Varje medium har en tröghet som översätter till motstånd mot passagen av ljudvågor, i vilket fall hastigheten på dem kommer att vara lägre.

[TOC]

Hur man beräknar ljudets hastighet?

Ljudhastigheten i ett medium beror på de elastiska egenskaperna hos det och trögheten som presenteras. Vara v Ljudets hastighet i allmänhet är det sant att:

Elastisk egenskap representeras med volymetrisk modul B, medan tröghetsegenskapen ges av densitet. Således:

Detta uttryck är giltigt för ljud genom att flytta en vätska som luft, till exempel.

Kan tjäna dig: vektorstorlek

Hookes lag konstaterar att deformation i mitten är proportionell mot den tillämpade ansträngningen. Proportionalitetskonstanten är just kompressibilitetsmodulen eller volumetrisk modul för materialet, som definieras som:

B = - enhetlig deformation/deformation

Enhet deformation är förändringen i volym  Dv uppdelad mellan den ursprungliga volymen V_antingen. Som är kvoten mellan volymer, saknar det dimensioner. Tecknet mindre innan B innebär att med tanke på den ansträngning som görs, vilket är en ökning av trycket, är den slutliga volymen mindre än den initiala. Med allt detta får vi:

B = -ΔP/ (5V/v_antingen)

I en gas är den volymetriska modulen proportionell mot trycket P, Att vara proportionalitetens konstant y, kallas gasadiabatisk konstant. Den här vägen:

B = γp

Enheterna av B är desamma som tryck. Äntligen kvarstår hastigheten:

Ljudhastighet i utökade idealiska och fasta gaser

Förutsatt att mediet är en idealisk gas kan trycket bytas ut P I uttrycket som ges för hastighet. För idealiska gaser uppfylls det:

Var ρ Det är densitet, som vi sa tidigare, R Det är gaskonstanten, M Det är molekylmassan och T Det är den absoluta temperaturen i Kelvin. På detta sätt har ljudets hastighet i en idealisk gas varit:

figur 2. Således rör sig ljudet i ett medium. Källa: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (CDANG) [CC BY-SA 3.0 (http: // Creativecommons.Org/licenser/BY-SA/3.0/]]

Låt oss nu se vad som händer om mediet är ett utökat fast ämne. I det här fallet måste en annan egenskap hos mediet beaktas, vilket är ditt svar på skjuvning eller skärinsatser:

Var S Det är den klippta modulen som referens gjordes. I allt detta antar vi ett isotropiskt medium, det vill säga en vars egenskaper alltid är samma.

Kan tjäna dig: termisk dilatation

Faktorer som ljudets hastighet beror på

Som vi har sett kan ljudets hastighet i ett medium bestämmas genom att känna till egenskaperna hos nämnda medium. Mycket elastiska material låter ljudet lättare, medan den tätaste motsätter sig.

Temperatur är en annan viktig faktor. Från ekvationen för ljudets hastighet i en idealisk gas kan man se att vid en högre temperatur T, högre hastighet. Som alltid, desto större molekylmassa M, lägre hastighet.

Därför är ljudets hastighet inte strikt en konstant, eftersom atmosfäriska förhållanden kan införa variationer i värde. Det förväntas att i större höjd över havet, där temperaturen blir lägre, fallet på ljudet faller ner.

Det uppskattas att i luften ökar ljudets hastighet med 0,6 m/s per 1 ° C som stiger temperaturen. I vattnet, öka 2.5 m/s per 1 º C höjd.

Bortsett från ovannämnda faktorer -elasticitet, densitet och temperatur -är andra involverade i spridningen av ljudvågor enligt mediet, till exempel: till exempel:

-Luftfuktighet

-Salt i vattnet

-Tryck

Ljud och temperatur

Från ovanstående följer det att temperaturen verkligen är en avgörande faktor i ljudets hastighet i ett medium.

När ämnet värms upp förvärvar dess molekyler snabbare och kan kollidera oftare. Och ju mer de kolliderar, desto större är ljudets hastighet inuti.

Ljuden som reser genom atmosfären intresserar vanligtvis, eftersom vi i detta är nedsänkta och vi tillbringar större delen av tiden. I detta fall är förhållandet mellan ljudets och temperaturens hastighet som följer:

331 m/s är ljudets hastighet i luften vid 0 º C. Vid 20 º C, motsvarande 293 Kelvin, är ljudets hastighet 343 m/s, som nämnts i början.

Kan tjäna dig: 13 exempel på Newtons första lag i verkliga livet

Mach's nummer

Mach -numret är en icke -dimensioner som ges av kvoten mellan hastigheten på ett objekt, vanligtvis ett flygplan och ljudets hastighet. Det är mycket bekvämt att veta hur snabbt ett flygplan rör sig med avseende på ljudet.

Vara M Mach -numret, V objektets hastighet -flygplanet -och v_s Ljudets hastighet har vi:

M = v/v_s

Till exempel, om ett flygplan flyttar till Mach 1, är hastigheten densamma som för ljudet, om den rör sig till Mach 2 är dubbelt och så vidare. Vissa obemannade experimentella militära flygplan har till och med nått Mach 20.

Ljud av ljud i olika medier (luft, stål, vatten ...)

Nästan alltid har ljudet snabbare i fasta ämnen än i vätskor, och i sin tur är det snabbare i vätskor än i gaser, även om det finns några undantag. Den avgörande faktorn är miljöens elasticitet, som är större som sammanhållning mellan atomer eller molekyler som utgör den,.

Till exempel, i vatten rör sig ljudet snabbare än i luften. Detta märks omedelbart genom att sänka huvudet i havet. Ljuden från de avlägsna fartygens motorer kan ses lättare än när de är ur vattnet.

Sedan ljudets hastighet för olika medier, uttryckt i M/S:

• Luft (0 ºC): 331
• Luft (100 ºC): 386
• Färskt vatten (25 ºC): 1493
• Havsvatten (25 ºC): 1533

Fast vid rumstemperatur

• Stål (kol 1018): 5920
• Sweet Iron: 5950
• Koppar: 4660
• Rullad koppar: 5010
• Silver: 3600
• Glas: 5930
• Polystiren: 2350
• Teflon: 1400
• Porslin: 5840

Referenser

1. Alkomling. Hastighetstabell för fördefinierat material. Återhämtat sig från: elkomling.com.
2. POTT. Ljudhastighet. Återhämtat sig från: NASA.Gov
3. Tippens, s. 2011. Fysik: koncept och applikationer. Sjunde upplagan. McGraw Hill
4. Serway, R., Vule, c. 2011. Fysikens grunder. 9^na Ed. Cengage Learning.
5. Sevilla universitet. Mach -nummer. Återhämtat sig från: Laplace.oss.är