Jaká je rychlost zvuku a jak ji našli?

Po mnoho let se filozofové ptali: 'Když v lese spadne strom a není tam nikdo, kdo by to slyšel, vydává zvuk?' Vědci na tuto otázku odpověděli a pokračovali ve zjišťování, jak rychle se zvuk šíří. Vypočítat tuto rychlost nebylo tak jednoduché, jak se zdálo. Na rozdíl od rychlosti světla není rychlost zvuku konstantní a rychlost zvuku mění různé proměnné. Vědci vydrželi a nyní chápou, jak zvuk funguje, ať už jde o hlas sopranistky nebo o strom padající k zemi.

Co je to zvuk?

Zvuk je energie vytvářená vibracemi. Když předměty vibrují, způsobí, že částice kolem nich vibrují, což zase způsobí, že vibruje více částic. Toto je zvuková vlna. Pokud například strom spadne na zem, vibrace způsobené jeho přistáním vytvoří zvukovou vlnu. Zvukové vlny pokračují, dokud jim nedojde energie, a pokud jsou v dosahu vlny uši, je skutečně slyšet.

má amazon výprodeje na černý pátek

Jaká je rychlost zvuku?

Když mluvíme o rychlosti zvuku, většina lidí má na mysli rychlost zvukových vln, které se šíří vzduchem. Při teplotě 68 stupňů Fahrenheita v suchém prostředí je rychlost zvuku kolem 767 mil za hodinu. Rychlost se mění při různých teplotách a také se liší v závislosti na plynech přítomných ve vzduchu.

Zákon strun

V 6. století před naším letopočtem filozof, matematik a hráč na lyru Pythagoras trávil čas zkoumáním toho, jak zvuk funguje. Legenda praví, že jeho práce na zvuku byla inspirována tím, že viděl, jak různě velká kladiva vytvářela různé tóny v kovářské dílně. Je pravděpodobnější, že experimentování s délkou strun jeho lyry inspirovalo jeho objev, že frekvence je nepřímo úměrná délce strun. Je známý jako první zákon strun a je jedním z prvních zaznamenaných děl o zvukových vlnách.

Sir Isaac Newton

Sir Isaac Newton byl první, kdo publikoval rychlost zvuku. Newton stál na kolonádě v Trinity College, tleskal rukama a měřil, jak dlouho trvalo, než se mu zvuk vrátil do uší. Bez moderních měřicích zařízení se při měření času spoléhal na kyvadlo. Jeho údaj, publikovaný v Principia Mathematica, se snížil asi o 15 procent. Formule vyvinutá Newtonem byla vylepšena Pierrem-Simonem Laplaceem a je známá jako Newtonova-Laplaceova rovnice.

Měření rychlosti zvuku pomocí výstřelů

Na počátku 18. století prováděl reverend William Durham experimenty na měření rychlosti zvuku. Zatímco stál ve věži s dalekohledem, asistenti stříleli ze zbraní na řadu místních památek. Durham pozoroval záblesk výstřelu a pomocí kyvadla změřil, jak dlouho trvalo, než zvuk uslyšel. Protože věděl, o jaké vzdálenosti jde, rychlost zvuku lze vypočítat a považuje se za nejčasnější přiměřeně přesný odhad.

Měření rychlosti zvuku Kundtovou trubicí

August Kundt vynalezl Kundtovu trubici v roce 1866. Zařízení se skládá z průhledné trubice, která obsahuje malé množství jemného prášku. Když se na jednom konci trubice vytvoří zvuk, prášek se pohybuje pomocí zvukových vln. Usazuje se ve stejně vzdálených intervalech v trubici v závislosti na vlnové délce. Měření vzdálenosti mezi hromadami prášku umožňuje vypočítat rychlost zvuku. Naplnění Kundtovy trubice různými plyny umožňuje měřit rychlost zvuku v různých médiích.

Měření rychlosti zvuku pomocí mikrofonů

Nejjednodušší způsob měření rychlosti zvuku je dnes pomocí dvou mikrofonů. Základní koncept je stejný jako u brokovnic Durham, ale stopky a rychlá záznamová zařízení umožňují kratší vzdálenost mezi zdrojem zvuku a měřícím zařízením. Zvuk může být také tišší než výstřel z brokovnice.

Účinky nadmořské výšky

Na rychlost zvuku má největší vliv teplota. V jakémkoli daném ideálním plynu s konstantním složením je rychlost zvuku závislá pouze na teplotě. Zvuk se s poklesem teplot zpomaluje, což znamená, že se zvukové vlny ve vyšších nadmořských výškách pohybují pomaleji. To je důvod, proč se obecná rychlost zvuku měří na hladině moře a je založena na konkrétní teplotě.

limonádové copánky v culíku

Zvuk v různých látkách

Protože zvuk vzniká vibrací částic, potřebuje k pohybu médium. To znamená, že ve vakuu není žádný zvuk, ale také to znamená, že se zvuk může pohybovat jinými látkami než vzduchem. Ve skutečnosti se zvuk pohybuje plyny nejpomaleji. Ve vodě se pohybuje více než čtyřikrát rychleji a v železe 15krát rychleji.

Prolomení zvukové bariéry

Přestože první letečtí inženýři věřili, že rychlost zvuku je překážkou, kterou nelze překonat, umělé předměty ji poprvé prolomily před staletími. Prásknutí bičem je zvukový třesk a dokonce i rané kulky se pohybovaly rychleji, než je rychlost zvuku. Chuck Yaeger se stal prvním člověkem, který letěl rychleji než zvuk ve vodorovném letu v roce 1947. V roce 2012 se Felix Baumgartner stal prvním člověkem, který cestoval rychleji než zvuk bez vozidla, když seskočil z výšky 120 000 stop.