Geluidssnelheidbeschrijving en formules, berekening, factoren

De Snelheid van het geluid Het is gelijk aan de snelheid waarmee longitudinale golven worden gepropageerd in een bepaald medium, waardoor opeenvolgende compressies en uitbreidingen worden geproduceerd, die de hersenen interpreteren als geluid.

Aldus reist de geluidsgolf op een bepaalde afstand per tijdseenheid, die afhankelijk is van het medium waardoor het beweegt. Geluidsgolven vereisen inderdaad een materiaalmedium om de compressies en uitbreidingen te produceren die we in het begin noemen. Daarom is het geluid niet verspreid.

Figuur 1. Supersonisch vliegtuig dat de geluidsbarrière doorbreekt. Bron: Pixbay

Maar terwijl we in een Air Ocean leven, hebben de geluidsgolven een middel om te bewegen en de auditie toe te staan. De geluidssnelheid in de lucht en bij 20 ºC is ongeveer 343 m/s (1087 voet/s), of ongeveer 1242 km/u indien gewenst.

Om de snelheid van het geluid in een medium te vinden, moet je iets weten over de eigenschappen hiervan.

Aangezien het materiaalmedium afwisselend wordt gewijzigd zodat het geluid zich kan verspreiden, is het goed om te weten hoe gemakkelijk of moeilijk het is om het te vervormen. De samendrukbaarheidsmodule B Biedt ons die informatie.

Aan de andere kant, de dichtheid van het medium, aangeduid als ρ Het zal ook relevant zijn. Elk medium heeft een traagheid die zich vertaalt in weerstand tegen de doorgang van geluidsgolven, in welk geval de snelheid van hen lager zal zijn.

[TOC]

Hoe de snelheid van het geluid te berekenen?

De geluidssnelheid in een medium hangt af van de elastische eigenschappen ervan, en de traagheid die presenteert. Zijn v De snelheid van het geluid, in het algemeen is het waar dat:

Elastische eigenschap wordt weergegeven met volumetrische module B, terwijl traagheidseigenschap wordt gegeven door dichtheid. Dus:

Deze uitdrukking is geldig voor geluid door bijvoorbeeld een vloeistofachtige lucht te verplaatsen.

Kan u van dienst zijn: vectorgrootte

De wet van Hooke stelt vast dat de vervorming in het midden evenredig is met de toegepaste inspanning. De evenredigheidsconstante is precies de samendrukbaarheidsmodule of volumetrische module van het materiaal, die wordt gedefinieerd als:

B = - eenheidsvervorming/vervorming

Unitaire vervorming is de verandering in volume  Dv verdeeld tussen het oorspronkelijke volume V_of. Zoals het quotiënt tussen volumes is, mist het afmetingen. Het bord minder eerder B betekent dat, gezien de geleverde inspanning, een toename van de druk is, het uiteindelijke volume minder is dan het initiaal. Met dit alles krijgen we:

B = -δP/ (δV/v_of))

In een gas is de volumetrische module evenredig met de druk P, De constante van evenredigheid zijn γ, Gas adiabatische constante genoemd. Op deze manier:

B = γP

De eenheden van B zijn hetzelfde als die van druk. Eindelijk blijft de snelheid bestaan:

Geluidssnelheid in uitgebreide ideale en vaste gassen

Ervan uitgaande dat het medium een ​​ideaal gas is, kan de druk worden vervangen P In de uitdrukking gegeven voor snelheid. Voor ideale gassen is het vervuld dat:

Waar ρ Het is dichtheid, zoals we eerder zeiden, R Het is de gasconstante, M Het is de moleculaire massa en T Het is de absolute temperatuur in Kelvin. Op deze manier is de snelheid van het geluid in een ideaal gas geweest:

Figuur 2. Zo beweegt het geluid in een medium. Bron: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (CDANG) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenties/by-sa/3.0/]]

Laten we nu eens kijken wat er gebeurt als het medium een ​​uitgebreide vaste stof is. In dit geval moet een ander eigendom van het medium in aanmerking worden genomen, wat uw reactie is op afschuif- of verlagingsinspanningen:

Waar S Het is de gesneden module waarnaar referentie is gemaakt. In dit alles nemen we aan dat een isotrope medium, dat wil zeggen een wiens eigenschappen altijd hetzelfde.

Kan u van dienst zijn: thermische verwijding

Factoren waarvan de geluidssnelheid afhangt

Zoals we hebben gezien, kan de geluidssnelheid in een medium worden bepaald door de eigenschappen van genoemde medium te kennen. Zeer elastische materialen laten het geluid gemakkelijker verspreiden, terwijl de dichtste zich verzet.

Temperatuur is een andere belangrijke factor. Uit de vergelijking voor de snelheid van het geluid in een ideaal gas, is te zien dat bij een hogere temperatuur T, hogere snelheid. Zoals altijd, hoe groter de moleculaire massa M, lagere snelheid.

Daarom is de snelheid van geluid niet strikt een constante, omdat atmosferische omstandigheden variaties in waarde kunnen introduceren. Er wordt verwacht dat op grotere hoogte boven zeeniveau, waar de temperatuur lager wordt, de snelheid van het geluid daalt.

Naar schatting neemt in de lucht de snelheid van het geluid toe met 0,6 m/s per 1º C die de temperatuur stijgt. In het water, verhoog 2.5 m/s per 1 º C hoogte.

Afgezien van de bovengenoemde factoren -elasticiteit, dichtheid en temperatuur -zijn er andere betrokken bij de verspreiding van geluidsgolven volgens het medium, zoals: bijvoorbeeld:

-Lucht vochtigheid

-Waterhoeven

-Druk

Geluid en temperatuur

Uit het bovenstaande volgt dat de temperatuur echt een bepalende factor is in de geluidssnelheid in een medium.

Naarmate de stof wordt verwarmd, verwerven de moleculen sneller en kunnen vaker botsen. En hoe meer ze botsen, hoe groter de snelheid van het geluid binnenin.

De geluiden die door de sfeer reizen meestal interessant, omdat we hierin ondergedompeld zijn en we het grootste deel van de tijd doorbrengen. In dit geval is de relatie tussen de snelheid van geluid en temperatuur als volgt:

331 m/s is de snelheid van het geluid in de lucht bij 0 º C. Bij 20 º C, gelijk aan 293 Kelvin, is de geluidssnelheid 343 m/s, zoals vermeld in het begin.

Kan u van dienst zijn: 13 voorbeelden van de eerste wet van Newton in het echte leven

Mach's nummer

Het Mach -nummer is een niet -dimensies die worden gegeven door het quotiënt tussen de snelheid van een object, meestal een vliegtuig en de snelheid van het geluid. Het is erg handig om te weten hoe snel een vliegtuig gaat met betrekking tot het geluid.

Zijn M Het mach -nummer, V de snelheid van het object -het vliegtuig-, en v_S De snelheid van het geluid, we hebben:

M = V/V_S

Als een vliegtuig bijvoorbeeld naar Mach 1 gaat, is zijn snelheid hetzelfde als die van geluid, als het naar Mach 2 gaat, is het dubbele enzovoort enzovoort. Sommige onbemande experimentele militaire vliegtuigen hebben zelfs Mach 20 bereikt.

Geluid van geluid in verschillende media (lucht, staal, water ...)

Bijna altijd reist het geluid sneller in vaste stoffen dan in vloeistoffen, en op zijn beurt is het sneller in vloeistoffen dan in gassen, hoewel er enkele uitzonderingen zijn. De bepalende factor is de elasticiteit van de omgeving, die groter is als cohesie tussen atomen of moleculen die het vormen,.

In water beweegt het geluid bijvoorbeeld sneller dan in de lucht. Dit wordt onmiddellijk opgemerkt door het hoofd in de zee onder te dompelen. De geluiden van de motoren van de verre vaten kunnen gemakkelijker worden gezien dan wanneer ze uit het water zijn.

Dan de snelheid van het geluid voor verschillende media, uitgedrukt in M/S:

• Lucht (0 ºC): 331
• Lucht (100 ºC): 386
• Zoet water (25 ºC): 1493
• Zeewater (25 ºC): 1533

Vaste stof bij kamertemperatuur

• Staal (koolstof 1018): 5920
• Zoet ijzer: 5950
• Koper: 4660
• Gerold koper: 5010
• Zilver: 3600
• Glas: 5930
• Polystirene: 2350
• Teflon: 1400
• Porselein: 5840

Referenties

1. Elomer. Snelheidstabel voor vooraf gedefinieerde materialen. Hersteld van: Elcomer.com.
2. POT. Snelheid van het geluid. Hersteld van: NASA.Gov
3. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. McGraw Hill
4. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentals of Physics. 9^NA ED. Cengage leren.
5. Sevilla University. Mach -nummer. Hersteld van: laplace.ons.is