O tym, że dźwięk porusza się zdecydowanie wolniej od światła, przekonujemy się obserwując wyładowania atmosferyczne. Wbrew pozorom prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu nie jest oszałamiająca i bez trudu barierę dźwięku pokonuje spora część wojskowych samolotów oraz sztuczne satelity umieszczone na orbicie ziemskiej. A zatem ile wynosi prędkość dźwięku w powietrzu i innych ośrodkach? Sprawdźmy to!
Czym jest prędkość dźwięku?
Pod pojęciem prędkości dźwięku w danym ośrodku kryje się w zasadzie prędkość rozchodzenia się w nim podłużnego zaburzenia mechanicznego. Co jednak ma zaburzenie mechaniczne do dźwięku? Okazuje się, że zgodnie z prawami fizyki jest to dokładnie to samo! Definicję dźwięku należy rozumieć właśnie jako zaburzenie mechaniczne rozchodzące się w danym ośrodku (nie tylko gazowym, ale również ciekłym i stałym), które wywołuje subiektywne wrażenie słuchowe u ludzi lub zwierząt.
Sama prędkość dźwięku zależy jednak od prędkości przekazywania kolejnym cząsteczkom w danej substancji energii drgań cząsteczek. Jednocześnie prędkość ta nie jest zależna od natężenia oraz częstotliwości fali dźwiękowej. Zależy jednak od parametrów medium, w którym się przemieszcza – przede wszystkim temperatury i stanu skupienia (w ciałach stałych i cieczach dźwięk rozchodzi się szybciej).
Prędkość dźwięku w powietrzu
W powietrzu o temperaturze 15 °C, prędkość rozchodzenia się dźwięku wynosi dokładnie 340,3 m/s (ok. 1225 km/h). Prędkość jednak zmienia się wraz z temperaturą powietrza, co przedstawia poniższa tabela.
| Temperatura powietrza | Prędkość dźwięku |
| –40 °C | 306,5 m/s |
| –30 °C | 312,9 m/s |
| –20 °C | 319,3 m/s |
| –10 °C | 325,6 m/s |
| 0 °C | 331,8 m/s |
| 10 °C | 337,8 m/s |
| 15 °C | 340,3 m/s |
| 20 °C | 343,8 m/s |
| 30 °C | 349,6 m/s |
| 40 °C | 355,3 m/s |
Co ciekawe, już w XVII wieku Marin Mersenne oszacował prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej.
Prędkość fali dźwiękowej w różnych ośrodkach
Jak wspomnieliśmy wyżej, dźwięk może rozchodzić się nie tylko w powietrzu, ale również i ośrodkach płynnych lub stałych. Tam prędkości przemieszczania się fali dźwiękowej osiągają już zawrotne wartości.
| Rodzaj ośrodka | Prędkość dźwięku |
| Guma | od 17 do 30 m/s |
| Chlor | 206 m/s |
| Dwutlenek węgla | 259 m/s |
| Powietrze | 340 m/s |
| Korek | 500 m/s |
| Hel | 965 m/s |
| Etanol | 1180 m/s |
| Wodór | 1284 m/s |
| Rtęć | 1500 m/s |
| Woda | 1500 m/s |
| Ołów | 2100 m/s |
| Lód | 3300 m/s |
| Beton | 3800 m/s |
| Szkło | 6000 m/s |
| Diament | 18 000 m/s |
Czy dźwięk rozchodzi się w próżni?
Na koniec odpowiemy sobie na pytanie, czy zgodnie z powyższymi założeniami, usłyszmy jakiekolwiek dźwięki w próżni? Z racji tego, że próżnia pozbawiona jest jakichkolwiek cząsteczek (próżnia kosmiczna zawiera jedynie ich śladowe ilości), fale dźwiękowe nie posiadają medium do rozprzestrzeniania się. W kosmosie nie usłyszymy zatem nic! Ale… możemy za to słyszeć odpowiednio przetworzone fale plazmowe, na co pozwala specjalny instrument EMFISIS w sondach Van Allena. Niekiedy również tłumaczy się fale radiowe na dźwięk (tzw. sonifikacja danych) w celu ich lepszego zrozumienia.
Czym jest tzw. sonic boom?
Sonic boom (efekt fali uderzeniowej) to gwałtowny huk wywołany przez obiekt poruszający się z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku w danym ośrodku. Jest to efekt fal uderzeniowych, które są tworzone, gdy obiekt porusza się z prędkością większą od prędkości dźwięku. Samoloty odrzutowe, supersoniczne samoloty wojskowe i niektóre szybkie pojazdy kosmiczne są w stanie wytworzyć efekt „sonic boom”, gdy tylko przekroczą prędkość dźwięku.
Kiedy obiekt, tak jak samolot, przemieszcza się przez powietrze z prędkością większą niż prędkość dźwięku, to fale dźwiękowe emitowane przez ten obiekt nie nadążają z nim i gromadzą się wzdłuż linii ruchu. Kiedy te fale „dogonią” obiekt, powstaje gwałtowny wzrost ciśnienia, który jest słyszalny jako charakterystyczny huk. Ten huk jest zazwyczaj bardzo głośny i odczuwalny jako jedno lub kilka następujących po sobie uderzeń.
Ze względu na gwałtowny charakter tego zjawiska i jego potencjalne skutki na powierzchni ziemi, takie jak wibracje budynków czy rozbijanie szyb – niektóre kraje wprowadziły ograniczenia prędkości lotów naddźwiękowych nad obszarami zamieszkałymi. Niemniej sonic boom nie jest szkodliwy dla zdrowia ludzi, chociaż może być uciążliwy i powodować nieprzyjemne doznania dźwiękowe.
W jakich dziedzinach wiedzy bada się prędkość dźwięku?
Prędkość dźwięku jest badana w wielu dziedzinach nauki. Oto kilka przykładów:
- Akustyka – jest nauką zajmującą się badaniem dźwięku i jego propagacji. Prędkość dźwięku jest kluczowym parametrem w akustyce i jest badana w kontekście różnych materiałów i środowisk, takich jak powietrze, woda, metal czy drewno.
- Fizyka – w fizyce prędkość dźwięku jest badana w kontekście fal dźwiękowych, które są mechanicznymi falami rozprzestrzeniającymi się w ośrodkach materialnych. Prędkość dźwięku zależy od właściwości ośrodka, takich jak gęstość, moduł sprężystości i temperatura.
- Inżynieria dźwięku – tutaj prędkość dźwięku jest istotna dla projektowania i oceny jakości systemów audio, takich jak głośniki, mikrofony, systemy nagłaśniające czy izolacja dźwiękowa.
- Geofizyka – prędkość dźwięku jest badana również w geofizyce, zwłaszcza podczas analizy propagacji sejsmicznej. Prędkość dźwięku w różnych warstwach Ziemi jest istotna w badaniu struktury wnętrza naszej planety i prowadzeniu badań sejsmicznych.
- Medycyna – w tej dziedzinie prędkość dźwięku jest badana w kontekście ultrasonografii (USG). W tej dziedzinie prędkość dźwięku jest wykorzystywana do obliczania głębokości tkanek w ciele pacjenta na podstawie czasu propagacji fali ultradźwiękowej.
- Sonary i echosondy – wykorzystują prędkość dźwięku w wodzie do pomiaru odległości i wykrywania obiektów pod wodą. Badanie prędkości dźwięku w różnych warstwach wody jest ważne dla poprawnego funkcjonowania tych urządzeń.
Jak daleko jest burza? Oblicz to za pomocą dźwięku!
Zapewne większość z nas wie, że licząc czas pomiędzy ujrzeniem błyskawicy, a usłyszeniem dźwięku, możemy dosyć precyzyjnie ustalić odległość do punktu wyładowania atmosferycznego. Biorąc do obliczeń przybliżoną prędkość przemieszczania się fal dźwiękowych w powietrzu, czyli ok. 340 m/s oraz czas jego przemieszczenia dowiemy się również, czy burza zbliża się do nas czy oddala.
Dzięki tej metodzie możemy obliczyć przybliżoną odległość każdego obiektu, wytwarzającego dźwięk, np. wybuch bomby. Jeżeli widzimy dane zjawisko to każda sekunda ciszy odpowiada ok. 340 metrom. W przybliżeniu zatem 3 sekundy pomiędzy błyskiem (lub wystąpieniem innego zjawiska generującego falę dźwiękową), a usłyszeniem dźwięku oznaczają, że znajdujemy się ok. 1 km od tego miejsca.
FAQ Pytania i odpowiedzi
Ile wynosi prędkość dźwięku na godzinę?
Prędkość rozprzestrzeniania się fali dźwiękowej w powietrzu wynosi 340 m/s (1224 km/h). O wiele szybciej dźwięk roznosi się w wodzie, wtedy też osiąga prędkość 1500 m/s.
Ile to jest bariera dźwięku w km/h?
Bariera dźwięku w powietrzu na poziomie morza wynosi 340 m/s. Warto ta zmienia się wraz z wysokością i na pułapie 11 km wynosi już 295 m/s.
Ile to jest prędkość 1 macha?
1 Mach (1 Ma) to jednostka prędkości równa prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu na poziomie morza i w normalnych warunkach, tzn. w temperaturze 15°C i ciśnieniu 1013, 25 hPa. 1 Mach wynosi wtedy 340 m/s = 1224 km/h.
Sprawdź również: