Das Schallgeschwindigkeit Dies entspricht der Geschwindigkeit, mit der sich Longitudinalwellen in einem bestimmten Medium ausbreiten und aufeinanderfolgende Kompressionen und Expansionen erzeugen, die das Gehirn als Schall interpretiert.
Somit legt die Schallwelle eine bestimmte Strecke pro Zeiteinheit zurück, die von dem Medium abhängt, durch das sie sich bewegt. Tatsächlich benötigen Schallwellen ein materielles Medium, damit die eingangs erwähnten Kompressionen und Expansionen stattfinden können. Deshalb breitet sich Schall nicht im luftleeren Raum aus.
Da wir jedoch in einem Ozean aus Luft leben, haben Schallwellen ein Medium, in dem sie sich bewegen können, und das ermöglicht das Hören. Die Schallgeschwindigkeit in Luft und bei 20 ° C beträgt ungefähr 343 m / s (1087 ft / s) oder ungefähr 1242 km / h, wenn Sie es vorziehen.
Um die Schallgeschwindigkeit in einem Medium zu ermitteln, müssen Sie ein wenig über die Eigenschaften dieses Mediums wissen.
Da das materielle Medium abwechselnd so modifiziert wird, dass sich der Schall ausbreiten kann, ist es gut zu wissen, wie leicht oder schwierig es ist, ihn zu verformen. Der Kompressibilitätsmodul B. bietet uns diese Informationen.
Andererseits wird die Dichte des Mediums mit bezeichnet ρ es wird auch relevant sein. Jedes Medium hat eine Trägheit, die sich in einem Widerstand gegen den Durchgang von Schallwellen niederschlägt. In diesem Fall ist ihre Geschwindigkeit geringer.
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Die Schallgeschwindigkeit in einem Medium hängt von seinen elastischen Eigenschaften und der Trägheit ab, die es aufweist. Sein v die Schallgeschwindigkeit, im Allgemeinen ist es wahr, dass:
Das Hookesche Gesetz besagt, dass die Verformung des Mediums proportional zu der auf es einwirkenden Spannung ist. Die Proportionalitätskonstante ist genau der Kompressibilitätsmodul oder Volumenmodul des Materials, der definiert ist als:
B = - Spannung / Dehnung
Dehnung ist die Volumenänderung DV geteilt durch Originalvolumen V.oder. Da es sich um den Quotienten zwischen Volumina handelt, fehlen ihm die Dimensionen. Das Minuszeichen vorher B. Dies bedeutet, dass vor dem Aufwand, bei dem es sich um einen Druckanstieg handelt, das Endvolumen geringer ist als das ursprüngliche. Mit all dem erhalten wir:
B = -ΔP / (ΔV / V.oder)
In einem Gas ist der Volumenmodul proportional zum Druck P., die Proportionalitätskonstante sein γ, die adiabatische Gaskonstante genannt. Auf diese Weise:
B = γP
Die Einheiten von B. sind das gleiche wie Druck. Schließlich ist die Geschwindigkeit wie folgt:
Unter der Annahme, dass das Medium ein ideales Gas ist, können wir den Druck ersetzen P. im gegebenen Ausdruck für Geschwindigkeit. Für ideale Gase gilt Folgendes:
Nun wollen wir sehen, was passiert, wenn das Medium ein erweiterter Feststoff ist. In diesem Fall muss eine andere Eigenschaft des Mediums berücksichtigt werden, nämlich seine Reaktion auf Scherung oder Scherbeanspruchung:
Wie wir gesehen haben, kann die Schallgeschwindigkeit in einem Medium bestimmt werden, indem die Eigenschaften dieses Mediums bekannt sind. Hochelastische Materialien lassen den Schall leichter verbreiten, während dichtere widerstehen.
Die Temperatur ist ein weiterer wichtiger Faktor. Aus der Gleichung für die Schallgeschwindigkeit in einem idealen Gas ist ersichtlich, dass die Temperatur umso höher ist T., höhere Geschwindigkeit. Wie immer ist die Molmasse umso höher M., langsamere Geschwindigkeit.
Aus diesem Grund ist die Schallgeschwindigkeit nicht streng konstant, da atmosphärische Bedingungen zu Wertschwankungen führen können. Es ist zu erwarten, dass in höheren Lagen über dem Meeresspiegel, wo die Temperatur immer niedriger wird, die Schallgeschwindigkeit abnimmt..
Es wird geschätzt, dass in Luft die Schallgeschwindigkeit mit jedem Temperaturanstieg von 1 ° C um 0,6 m / s zunimmt. Im Wasser steigt sie mit jeder Höhe von 1 ° C um 2,5 m / s.
Neben den bereits erwähnten Faktoren - Elastizität, Dichte und Temperatur - gibt es andere, die je nach Medium in die Ausbreitung von Schallwellen eingreifen, wie z.
-Luftfeuchtigkeit
-Salzgehalt des Wassers
-Druck
Aus dem oben Gesagten folgt, dass die Temperatur tatsächlich ein entscheidender Faktor für die Schallgeschwindigkeit in einem Medium ist..
Wenn sich die Substanz erwärmt, werden ihre Moleküle schneller und können häufiger kollidieren. Und je mehr sie kollidieren, desto höher ist die Schallgeschwindigkeit im Inneren..
Geräusche, die sich durch die Atmosphäre bewegen, sind normalerweise sehr interessant, da wir in sie eingetaucht sind und die meiste Zeit verbringen. In diesem Fall ist die Beziehung zwischen Schallgeschwindigkeit und Temperatur wie folgt:
331 m / s ist die Schallgeschwindigkeit in Luft bei 0 ° C. Bei 20 ° C, was 293 Kelvin entspricht, beträgt die Schallgeschwindigkeit 343 m / s, wie eingangs erwähnt.
Die Machzahl ist eine dimensionslose Größe, die durch den Quotienten zwischen der Geschwindigkeit eines Objekts, normalerweise eines Flugzeugs, und der Schallgeschwindigkeit gegeben ist. Es ist sehr praktisch zu wissen, wie schnell sich ein Flugzeug in Bezug auf Schall bewegt.
Sein M. Machzahl, V. die Geschwindigkeit des Objekts - des Flugzeugs - und vs Die Schallgeschwindigkeit haben wir:
M = V / vs
Wenn sich ein Flugzeug beispielsweise mit Mach 1 bewegt, entspricht seine Geschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit. Wenn es sich mit Mach 2 bewegt, ist es doppelt so schnell und so weiter. Einige experimentelle unbemannte Militärflugzeuge haben sogar Mach 20 erreicht.
Schall bewegt sich in Festkörpern fast immer schneller als in Flüssigkeiten, und wiederum ist er in Flüssigkeiten schneller als in Gasen, obwohl es einige Ausnahmen gibt. Der bestimmende Faktor ist die Elastizität des Mediums, die größer ist, wenn die Kohäsion zwischen den Atomen oder Molekülen, aus denen es besteht, zunimmt..
Beispielsweise bewegt sich Schall im Wasser schneller als in der Luft. Dies macht sich sofort bemerkbar, wenn Sie Ihren Kopf ins Meer tauchen. Die Geräusche entfernter Bootsmotoren sind leichter zu hören als außerhalb des Wassers.
Unten ist die Schallgeschwindigkeit für verschiedene Medien angegeben, ausgedrückt in m / s:
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