Qual è la velocità del suono nell'aria. Determinazione della velocità del suono nell'aria mediante il metodo delle onde stazionarie

Probabilmente molti di voi hanno sentito parlare di un concetto come la velocità del suono. Spero che la maggior parte di voi capisca di cosa si tratta. E anche se no, lo scopriremo ora.

Cos'è la velocità?

Innanzitutto devi capirlo velocitàè una quantità fisica che mostra la distanza che un corpo può percorrere nell'unità di tempo. Da questa definizione segue che un'auto che si muove alla velocità di 70 km/h, nel 99% dei casi, può percorrere 70 chilometri in un giro in senso orario (cioè in un'ora). Nell'1% dei casi ignoreremo il fatto che potrebbe rompersi sulla strada o che la strada finirà. L'auto è libera. Invece di un'auto, puoi prendere altri oggetti: una persona corre, un sasso vola, un jerboa salta, ecc. Tutti questi corpi sono oggetti reali che possono essere visti e persino toccati. Ma il suono non è un sasso o un aeroplano, da dove prende la velocità?

Il concetto è composto da due parole. Del primo ci siamo già occupati. Passiamo ora al secondo. Cos'è il suono?

Il suono è qualcosa che possiamo sentire, cioè è un fenomeno fisico. Questo fenomeno si verifica a causa della diffusione onda sonora in mezzi solidi, liquidi o gassosi. L'onda sonora è molto simile a una normale onda del mare, che tutti hanno visto dal vivo o in TV (non per niente venivano chiamate allo stesso modo - onda). Ma più precisamente, puoi immaginare un'onda sonora come cerchi sull'acqua che appaiono dopo aver lanciato un sasso. Dopotutto, il suono viaggia allo stesso modo in tutte le direzioni! Se urli contro un bicchiere d'acqua ti porteranno al manicomio Potrai vedere il suono!!! Sotto forma di cerchi sulla superficie dell'acqua.

Questo è onda sonora- questa è essenzialmente la vibrazione degli atomi del mezzo in cui si propaga il suono. Ecco perché le finestre tremano a causa della musica ad alto volume.

Ora sappiamo cos'è la velocità e cos'è il suono, quindi colleghiamo insieme questi concetti!

La velocità del suono è un valore che mostra la distanza che un'onda sonora può percorrere nell'unità di tempo.

Come abbiamo già capito, affinché un'onda sonora si muova, è necessario che (l'aria, l'acqua, un corpo solido) vibri. Ecco perché nello spazio non c'è suono! Poiché lì non ci sono atomi (praticamente nessuno, ce ne sono pochi, ma pochissimi)! E la cosa più interessante è che il suono viaggia nell'aria a una velocità di 340 m/s, nell'acqua a una velocità di 1500 m/s e nei solidi a una velocità di 3000-6000 m/s. Ciò non sorprende, poiché quanto minore è la distanza tra gli atomi, tanto più veloce si propaga il suono.

Più calda è l'acqua, maggiore è la velocità del suono. Quando ci si immerge a profondità maggiori, aumenta anche la velocità del suono nell'acqua. I chilometri orari (km/h) sono un'unità di misurazione della velocità non sistematica.

E nel 1996 è stata lanciata la prima versione del sito con calcoli istantanei. Già negli autori antichi si trova l'indicazione che il suono è causato dal movimento oscillatorio del corpo (Tolomeo, Euclide). Aristotele nota che la velocità del suono ha un valore finito e immagina correttamente la natura del suono.

Velocità del suono nei gas e nei vapori

Nei mezzi multifase, a causa dei fenomeni di assorbimento anelastico di energia, la velocità del suono, in generale, dipende dalla frequenza di oscillazione (si osserva cioè una dispersione di velocità). Ad esempio, la stima della velocità delle onde elastiche in un mezzo poroso a due fasi può essere eseguita utilizzando le equazioni della teoria di Bio-Nikolaevskij. A frequenze sufficientemente elevate (al di sopra della frequenza di Biot) in un tale mezzo si formano non solo onde longitudinali e trasversali, ma anche un'onda longitudinale del secondo tipo.

Nell'acqua pura la velocità del suono è di circa 1500 m/s (vedi esperimento Colladon-Sturm) e aumenta con l'aumentare della temperatura. Un oggetto che si muove alla velocità di 1 km/h percorre un chilometro in un'ora. Se non vi trovate nell'elenco dei fornitori, notate un errore, o avete dati numerici aggiuntivi per colleghi sull'argomento, fatecelo sapere.

Le informazioni presentate sul sito non sono ufficiali e vengono fornite solo a scopo informativo. A terra, il passaggio dell'onda d'urto viene percepito come un botto, simile al suono di uno sparo. Avendo superato la velocità del suono, l'aereo attraversa quest'area di maggiore densità dell'aria, come se la perforasse, rompendo la barriera del suono. Per molto tempo, il superamento della barriera del suono è sembrato un problema serio per lo sviluppo dell'aviazione.

Numeri di Mach di volo M(∞), leggermente superiori al numero critico M*. Il motivo è che ai numeri M(∞) > M* si verifica una crisi ondosa, accompagnata dalla comparsa di resistenza ondosa. 1) porte nelle fortezze.

Perché è buio nello spazio? È vero che le stelle cadono? Una velocità il cui numero di Mach supera 5 è detta ipersonica. La velocità supersonica è la velocità di movimento di un corpo (flusso di gas) che supera la velocità del suono in condizioni identiche.

Scopri cos'è "VELOCITÀ SUPERSONICA" in altri dizionari:

Il suono viaggia molto più velocemente nei solidi che nell'acqua o nell'aria. Un'onda è, in un certo senso, il movimento di qualcosa che si diffonde nello spazio. Un'onda è un processo di movimento nello spazio di cambiamento di stato. Immaginiamo come si propagano le onde sonore nello spazio. Questi strati vengono compressi, il che a sua volta crea una pressione eccessiva, che colpisce gli strati d'aria vicini.

Questo fenomeno viene utilizzato nel rilevamento di difetti ad ultrasuoni nei metalli. Dalla tabella si evince che al diminuire della lunghezza d'onda diminuisce la dimensione dei difetti del metallo (cavità, inclusioni estranee) rilevabili da un fascio di ultrasuoni.

Il fatto è che quando ci si sposta a velocità di volo superiori a 450 km/h, alla normale resistenza dell'aria inizia ad aggiungersi la resistenza delle onde, che è proporzionale al quadrato della velocità. La resistenza delle onde aumenta bruscamente quando la velocità dell'aereo si avvicina alla velocità del suono, molte volte superiore alla resistenza associata all'attrito e alla formazione di vortici.

Qual è la velocità del suono?

Oltre alla velocità, la resistenza delle onde dipende direttamente dalla forma del corpo. Pertanto, l'ala spazzata riduce notevolmente la resistenza dell'onda. Un ulteriore aumento dell'angolo di attacco durante le manovre porta alla diffusione dello stallo su tutta l'ala, alla perdita di controllabilità e allo stallo dell'aereo. Un'ala rivolta in avanti è parzialmente esente da questo inconveniente.

Durante la creazione di un'ala rivolta in avanti, sono sorti problemi complessi, principalmente associati alla divergenza elastica positiva (o semplicemente alla torsione e alla successiva distruzione dell'ala). Le ali in alluminio e persino leghe di acciaio soffiate attraverso tubi supersonici furono distrutte. Fu solo negli anni '80 che emersero materiali compositi in grado di combattere la torsione utilizzando avvolgimenti di fibre di carbonio appositamente orientati.

Perché il suono si propaghi è necessario un mezzo elastico. Nel vuoto le onde sonore non possono propagarsi perché non c’è nulla che possa vibrare. Alla temperatura di 20 °C corrisponde a 343 m/s, ovvero 1235 km/h. Si noti che è a questo valore che la velocità di un proiettile sparato da un fucile d'assalto Kalashnikov diminuisce a una distanza di 800 m.

Il suono viaggia a velocità diverse nei diversi gas. Inserisci il valore che desideri convertire (velocità del suono nell'aria). Nei settori della tecnologia moderna e degli affari, il vincitore è colui che riesce a fare tutto rapidamente.

Velocità del suono

Le caratteristiche principali delle onde sonore includono la velocità del suono, la sua intensità: queste sono le caratteristiche oggettive delle onde sonore, l'altezza e il volume sono classificati come caratteristiche soggettive. Le caratteristiche soggettive dipendono in larga misura dalla percezione del suono da parte di una determinata persona e non dalle caratteristiche fisiche del suono.

Le misurazioni della velocità del suono nei solidi, nei liquidi e nei gas indicano che la velocità non dipende dalla frequenza della vibrazione o dalla lunghezza dell'onda sonora, cioè le onde sonore non hanno dispersione. Le onde longitudinali e trasversali possono propagarsi nei solidi, la cui velocità di propagazione si trova utilizzando le formule:

dove E è il modulo di Young, G è il modulo di taglio nei solidi. Nei solidi la velocità di propagazione delle onde longitudinali è quasi il doppio della velocità di propagazione delle onde trasversali.

Solo le onde longitudinali possono propagarsi nei liquidi e nei gas. La velocità del suono nell'acqua si trova utilizzando la formula:

K è il modulo di massa della sostanza.

Nei liquidi, all'aumentare della temperatura, aumenta la velocità del suono, a cui si associa una diminuzione del rapporto di compressione volumetrica del liquido.

Per i gas è stata ricavata una formula che mette in relazione la loro pressione con la densità:

I. Newton fu il primo a usare questa formula per trovare la velocità del suono nei gas. Dalla formula è chiaro che la velocità di propagazione del suono nei gas non dipende dalla temperatura, non dipende nemmeno dalla pressione, poiché all'aumentare della pressione aumenta anche la densità del gas. La formula può anche avere una forma più razionale: basata sull'equazione di Mendeleev-Clapeyron:

Allora la velocità del suono sarà pari a:

La formula è chiamata formula di Newton. La velocità del suono nell'aria calcolata con il suo aiuto è di 280 m/s a 273K. La velocità sperimentale effettiva è di 330 m/s.

Questo risultato differisce significativamente da quello teorico e la ragione di ciò fu stabilita da Laplace.

Ha dimostrato che il suono si propaga adiabaticamente nell'aria. Le onde sonore nei gas viaggiano così velocemente che i cambiamenti locali di volume e pressione nell'ambiente gassoso si verificano senza scambio di calore con l'ambiente. Laplace derivò un'equazione per trovare la velocità del suono nei gas:

Propagazione delle onde sonore

Quando le onde sonore si propagano attraverso il mezzo, si attenuano. L'ampiezza delle vibrazioni delle particelle del mezzo diminuisce gradualmente con l'aumentare della distanza dalla sorgente sonora.

Uno dei motivi principali dell'attenuazione delle onde è l'azione delle forze di attrito interno sulle particelle del mezzo. Per superare queste forze viene continuamente utilizzata l'energia meccanica del movimento oscillatorio trasferita dall'onda. Questa energia si trasforma nell'energia del movimento termico caotico di molecole e atomi dell'ambiente. Poiché l'energia dell'onda è proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'oscillazione, man mano che le onde si propagano dalla sorgente sonora, insieme alla diminuzione della riserva energetica del moto oscillatorio, diminuisce anche l'ampiezza delle oscillazioni.

La propagazione dei suoni nell'atmosfera è influenzata da molti fattori: temperatura alle diverse altitudini, flussi d'aria. L'eco è il suono riflesso da una superficie. Le onde sonore possono essere riflesse da superfici solide, da strati d'aria in cui la temperatura è diversa dalla temperatura degli strati vicini.

Obiettivo del lavoro: Determinazione della lunghezza d'onda stazionaria e della velocità del suono nell'aria.

Dispositivi e accessori: risonatore con telefono e microfono, generatore di suoni, oscilloscopio, righello di misurazione.

Introduzione teorica

Il suono è un'onda elastica che si propaga nei gas, nei liquidi e nei solidi e viene percepita dall'orecchio dell'uomo e degli animali. L'orecchio umano è in grado di percepire suoni con frequenze comprese tra 16 Hz e 20 kHz. Il suono con frequenze inferiori a 16 Hz è chiamato infrasuono e superiore a 20 kHz è chiamato ultrasuono. La scienza del suono si chiama acustica.

Se una sorgente di oscillazione viene posta in un mezzo elastico, le particelle a contatto con essa verranno rimosse dalla posizione di equilibrio e inizieranno ad oscillare. Le vibrazioni di queste particelle vengono trasmesse da forze elastiche alle particelle vicine del mezzo, e da queste ad altre, più distanti dalla sorgente delle vibrazioni. Dopo qualche tempo, il processo oscillatorio coprirà l'intero mezzo. La propagazione delle vibrazioni in un mezzo elastico si chiama onda o un processo ondulatorio.

Esistono onde longitudinali (le particelle oscillano lungo la direzione di propagazione delle onde) e onde trasversali (le particelle oscillano perpendicolarmente a questa direzione). Le onde longitudinali sono un'alternanza di condensazioni e rarefazioni. Tali onde si propagano in mezzi in cui si verificano forze elastiche durante deformazioni di compressione e trazione, ma non presentano sollecitazioni di taglio (cioè nei solidi, liquidi e gas). Un esempio di onde longitudinali sono le onde sonore. Le onde trasversali si propagano in mezzi in cui le forze elastiche sono generate dalla deformazione di taglio (cioè nei solidi o in alcuni casi speciali, come le onde all'interfaccia liquido-gas). La velocità di propagazione delle onde longitudinali e trasversali dipende dalle proprietà elastiche del mezzo. Pertanto, a 20 ºС la velocità del suono nell'aria è di 343 m/s, nell'acqua – 1480 m/s, nell'acciaio – circa 6000 m/s.

La velocità del suono nei gas può teoricamente essere calcolata utilizzando la formula:

dove  è l'indice adiabatico (il rapporto tra la capacità termica a pressione costante e la capacità termica a volume costante), R– costante dei gas molare, T– temperatura termodinamica, M– massa molare del gas. Pertanto, la velocità del suono nei gas risulta essere dello stesso ordine della velocità media del movimento termico delle molecole.

Equazione di un'onda viaggiante che si propaga lungo una coordinata X, ha la forma:

 = UN cos( T – kx), (2)

dove  è lo spostamento delle particelle del mezzo dalla posizione di equilibrio; UN– ampiezza dell'onda;  – frequenza di oscillazione ciclica; T- tempo; K– numero d'onda,
( – lunghezza d'onda).

Un'onda stazionaria è uno stato oscillatorio speciale di un mezzo che si verifica quando due onde viaggianti opposte (ad esempio, diretta e riflessa) della stessa ampiezza e frequenza si sovrappongono. Un'onda stazionaria è un caso speciale di interferenza d'onda.

Consideriamo la somma di due onde contropropaganti con la stessa ampiezza e frequenza. Un'onda diretta è descritta dall'equazione

 1 = UN cos( T – kx), (3)

nell'equazione dell'onda riflessa la coordinata X segno inverso:

2= UN cos( T + kx). (4)

Aggiungiamo le equazioni (3) e (4):

 =  1 +  2 = UN cos( T – kx) + UN cos( T + kx)

e, utilizzando la formula per la somma dei coseni di due angoli, otteniamo l'equazione delle onde stazionarie:

 = 2 UN cos X cos T. (5)

L'espressione prima di cos T, rappresenta l'ampiezza dell'onda stazionaria:

UN Arte. V. =2 UN cos X . (6)

L'ampiezza delle vibrazioni delle particelle medie in un'onda stazionaria dipende dalle coordinate delle particelle X e quindi varia da punto a punto. L'ampiezza dell'onda stazionaria è massima (tali luoghi geometrici sono chiamati antinodi) fornita

cos X=  1,

X =   N, (7)

dove sono le coordinate degli antinodi?

X pn =  . (8)

L'ampiezza di un'onda stazionaria assume valori pari a zero (tali punti sono chiamati nodi) in base alla condizione

cos X = 0,

X=  (2 N + 1), (9)

da dove vengono le coordinate dei nodi?

X nodo = 
. (10)

Nelle formule (7) – (10) N= 0, 1, 2, 3… . La distanza tra nodi adiacenti o antinodi adiacenti è /2, e i nodi e gli antinodi adiacenti sono spostati di /4. I punti situati nei nodi non oscillano.

La distanza tra due nodi o antinodi adiacenti è chiamata lunghezza d'onda stazionaria. Pertanto, la lunghezza dell'onda stazionaria è pari alla metà della lunghezza dell'onda viaggiante:

 st = . (undici)

Costruiamo un grafico di un'onda stazionaria. Utilizzando l'equazione (5), calcoliamo gli spostamenti  per istanti di tempo fissi T = 0, T/8, T/4, 3T/8, T/2. In ciascuna delle equazioni risultanti  = F(X) sostituire le coordinate X= 0, /4, /2, 3/4, , 5/4… . I risultati del calcolo sono riportati di seguito.

Le dipendenze risultanti  = F(X) sono mostrati in Fig. 1 e rappresentano una sorta di “fotografie istantanee” di un’onda stazionaria.

Un’onda stazionaria ha le seguenti caratteristiche:

l'ampiezza delle vibrazioni delle particelle è diversa nei diversi punti del mezzo;

all'interno di una sezione del mezzo da un nodo all'altro, tutte le particelle oscillano in una fase; quando passano attraverso un nodo, la fase di oscillazione cambia nella fase opposta;

a differenza di un'onda viaggiante, non trasferisce energia.

Per molti, anche anni dopo il diploma di scuola, non si sa quale sia l'effettiva velocità del suono nell'aria. Alcuni non hanno ascoltato attentamente l'insegnante, mentre altri semplicemente non hanno compreso appieno il materiale presentato. Bene, forse è il momento di colmare questa lacuna di conoscenze. Oggi non ci limiteremo a indicare i numeri “secchi”, ma spiegheremo il meccanismo stesso che determina la velocità del suono nell'aria.

Come sai, l'aria è una raccolta di vari gas. Poco più del 78% è azoto, quasi il 21% è ossigeno, il resto è anidride carbonica e quindi parleremo della velocità di propagazione del suono in un ambiente gassoso.

Innanzitutto, definiamolo Sicuramente molti hanno sentito l'espressione "onde sonore" o "vibrazioni sonore". Infatti, ad esempio, il diffusore di un altoparlante che riproduce il suono vibra ad una certa frequenza, che l'apparecchio acustico umano classifica come suono. Una delle leggi della fisica afferma che la pressione nei gas e nei liquidi si diffonde senza variazioni in tutte le direzioni. Ne consegue che in condizioni ideali la velocità del suono nei gas è uniforme. Certo, in realtà c'è un'attenuazione naturale. È necessario ricordare questa funzione, poiché spiega perché la velocità può cambiare. Ma siamo un po’ distratti dall’argomento principale. Quindi, se il suono è vibrazione, allora cos’è esattamente la vibrazione?

Qualsiasi gas è un insieme di atomi di una certa configurazione. A differenza dei solidi, la distanza tra gli atomi al loro interno è relativamente grande (rispetto, ad esempio, al reticolo cristallino dei metalli). Si può fare un'analogia con i piselli distribuiti su un contenitore con una massa gelatinosa. le oscillazioni impartiscono quantità di moto agli atomi di gas vicini. A loro volta, come le palle su un tavolo da biliardo, "colpiscono" quelle vicine e il processo si ripete. La velocità del suono nell'aria determina con precisione l'intensità dell'impulso della causa principale. Ma questa è solo una componente. Più densi sono gli atomi di una sostanza, maggiore è la velocità di propagazione del suono al suo interno. Ad esempio, la velocità del suono nell'aria è quasi 10 volte inferiore a quella del granito monolitico. Questo è molto facile da capire: affinché un atomo in un gas possa “raggiungere” il suo vicino e trasferirgli l'energia della quantità di moto, deve superare una certa distanza.

Conseguenza: all'aumentare della temperatura aumenta la velocità di propagazione delle onde. Nonostante la velocità propria degli atomi sia maggiore, si muovono in modo caotico e si scontrano più spesso. È anche vero che il gas compresso conduce il suono molto più velocemente, ma il campione è comunque liquefatto. Il calcolo della velocità del suono nei gas tiene conto della densità iniziale, della comprimibilità, della temperatura e del coefficiente (costante del gas). In realtà, tutto ciò deriva da quanto sopra.

Ma qual è la velocità del suono nell'aria? Molti hanno già intuito che è impossibile dare una risposta definitiva. Ecco solo alcuni dati fondamentali:

A zero nel punto zero (livello del mare), la velocità del suono è di circa 331 m/s;

Abbassando la temperatura a -20 gradi Celsius, si possono “rallentare” le onde sonore a 319 m/s, poiché inizialmente gli atomi nello spazio si muovono più lentamente;

Aumentandolo a 500 gradi si accelera la propagazione del suono di quasi una volta e mezza, fino a 550 m/s.

Tuttavia, i dati forniti sono approssimativi, poiché oltre alla temperatura, la capacità dei gas di condurre il suono è influenzata anche dalla pressione, dalla configurazione dello spazio (una stanza con oggetti o un'area aperta), dalla loro mobilità, ecc.

Attualmente, la proprietà dell'atmosfera di condurre il suono viene studiata attivamente. Ad esempio, uno dei progetti consente di determinare la temperatura degli strati d'aria registrando il riflesso (eco).