Äänenopeuden kuvaus ja kaavat, laskenta, tekijät

Se Äänenopeus Se vastaa sitä nopeutta, jolla pitkittäiset aallot levitetään tietyssä väliaineessa, tuottaen peräkkäisiä kompressioita ja laajennuksia, jotka aivot tulkitsevat äänellä.

Siten ääniaalto kulkee tietyn etäisyyden aikayksikköä kohti, mikä riippuu väliaineesta, jonka läpi se liikkuu. Ääni aallot vaativat aineellisen väliaineen tuottamaan alussa mainitsemamme kompressiot ja laajennukset. Siksi ääni ei ole levinnyt.

Kuvio 1. Supersonic -lentokone, joka katkaisee äänen esteen. Lähde: Pixbay

Mutta kun elämme upotettuna lentomerelle, ääniaalloilla on keino liikkua ja sallia koe. Äänenopeus ilmassa ja 20 ºC: n lämpötilassa on noin 343 m/s (1087 jalkaa/s) tai noin 1242 km/h, jos se on suositeltavaa.

Äänen nopeuden löytämiseksi väliaineesta on tiedettävä vähän tämän ominaisuuksista.

Koska materiaaliväliainetta muutetaan vuorotellen, jotta ääni voi levitä, on hyvä tietää, kuinka helppoa tai vaikeaa on muodonmuutos. Puristusmoduuli B - Tarjoaa meille tietoja.

Toisaalta väliaineen tiheys merkittiin ρ Se on myös merkityksellinen. Kaikissa väliaineissa on hitaus, joka tarkoittaa vastustuskykyä ääniaaltojen läpäisemiselle, jolloin niiden nopeus on alhaisempi.

[TOC]

Kuinka laskea äänen nopeus?

Äänenopeus väliaineessa riippuu sen elastisista ominaisuuksista ja esittämästä hitaudesta. Olla v Äänen nopeus, yleensä on totta, että:

Joustava ominaisuus on esitetty tilavuusmoduulilla B, kun taas inertiaalinen ominaisuus annetaan tiheydellä. Täten:

Tämä lauseke pätee ääniin siirtämällä esimerkiksi nesteen kaltaista ilmaa.

Voi palvella sinua: vektorisuuntaus

Hooken laki osoittaa, että muodonmuutos keskellä on verrannollinen sovellettuihin ponnisteluihin. Suhteellisuusvakio on juuri materiaalin puristusmoduuli tai tilavuusmoduuli, joka on määritelty:

B = - yhtenäisen muodonmuutoksen/muodonmuutoksen

Yhtenäinen muodonmuutos on tilavuuden muutos  DV jaettu alkuperäisen äänenvoimakkuuden välillä V_jompikumpi. Kuten määrien välinen osuus, sillä ei ole mittoja. Merkki vähemmän ennen B - tarkoittaa, että tehdyn ponnistelun vuoksi, joka on paineen nousu, lopullinen tilavuus on pienempi kuin alkuperäinen. Kaiken tämän kanssa saamme:

B = -AP/ (ΔV/v_jompikumpi-A

Kaasussa tilavuusmoduuli on verrannollinen paineeseen P, on vakio suhteellisuudelle γ, kutsutaan kaasua adiabaattiseksi vakioksi. Tällä tavalla:

B = γp

Yksiköt B - ovat samat kuin paineen. Lopuksi nopeus pysyy:

Äänenopeus laajennetussa ideaalissa ja kiinteissä kaasuissa

Olettaen, että väliaine on ihanteellinen kaasu, paine voidaan korvata P Nopeuden vuoksi annetussa lausekkeessa. Ihanteellisille kaasuille on toteutettu, että:

Missä ρ Se on tiheys, kuten aiemmin sanoimme, R - Se on kaasuvakio, M Se on molekyylimassa ja T Se on absoluuttinen lämpötila Kelvinissä. Tällä tavalla äänen nopeus ihanteellisessa kaasussa on ollut:

Kuva 2. Siten ääni liikkuu väliaineessa. Lähde: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (Cdang) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lisenssit/by-SA/3.0/]]

Katsotaan nyt, mitä tapahtuu, jos väliaine on laajennettu kiinteä. Tässä tapauksessa on otettava huomioon toinen väliaineen ominaisuus, mikä on vastauksesi leikkaukseen tai leikkaukseen:

Missä S Se on leikkausmoduuli, johon viittaus tehtiin. Kaikessa tässä oletamme isotrooppisen väliaineen, toisin sanoen sellaisen, jonka ominaisuudet ovat aina samat.

Voi palvella sinua: Lämpölaajennus

Tekijät, joista äänen nopeus riippuu

Kuten olemme nähneet, äänen nopeus väliaineessa voidaan määrittää tuntemalla mainitun väliaineen ominaisuudet. Erittäin joustavat materiaalit antavat äänen levittää helpommin, kun taas tihein vastustaa.

Lämpötila on toinen tärkeä tekijä. Äänenopeuden yhtälöstä ihanteellisessa kaasussa voidaan nähdä, että korkeammassa lämpötilassa T, suurempi nopeus. Kuten aina, mitä suurempi molekyylimassa M, pienempi nopeus.

Siksi äänen nopeus ei ole tiukasti vakio, koska ilmakehän olosuhteet voivat tuoda arvon vaihtelut. On odotettavissa, että suuremmalla korkeudella merenpinnan yläpuolella, missä lämpötila laskee, äänen nopeus laskeutuu.

On arvioitu, että ilmassa äänen nopeus kasvaa 0,6 m/s/1º C, joka nousee lämpötilaan. Lisää vedessä 2.5 m/s/1 ° C: n korkeus.

Edellä mainittujen tekijöiden lisäksi -elastisuus, tiheys ja lämpötila -Muita on mukana ääniaaltojen leviämisessä, kuten: esimerkiksi: esimerkiksi:

-Ilman kosteus

-Veden suolapitoisuus

-Paine

Ääni ja lämpötila

Edellä mainitusta seuraa, että lämpötila on todella määräävä tekijä äänen nopeudessa väliaineessa.

Kun ainetta lämmitetään, sen molekyylit saavat nopeammin ja kykenevät törmäämään useammin. Ja mitä enemmän he törmäävät, sitä suurempi äänen nopeus.

Äänet, jotka kulkevat ilmakehän läpi yleensä, koska tässä olemme upotettuja ja vietämme suurimman osan ajasta. Tässä tapauksessa äänen nopeuden ja lämpötilan välinen suhde on seuraava:

331 m/s on äänen nopeus ilmassa 0 ° C: ssa. 20 ° C: ssa, vastaa 293 Kelviniä, äänen nopeus on 343 m/s, kuten alussa mainittiin.

Voi palvella sinua: 13 esimerkkiä Newtonin ensimmäisestä laista tosielämässä

Machin numero

Mach -luku on ei -dimenssejä, jotka annetaan osamäärällä objektin nopeuden, yleensä lentokoneen ja äänen nopeuden välillä. On erittäin kätevää tietää, kuinka nopeasti lentokone liikkuu äänen suhteen.

Olla M Mach -numero, V esineen nopeus -lentokone-, ja v_s Äänenopeus, meillä on:

M = V/V_s

Esimerkiksi, jos ilma -alus siirtyy Mach 1: een, sen nopeus on sama kuin äänen, jos se siirtyy Mach 2: e. Jotkut miehittämättömät kokeelliset sotilaslentokoneet ovat jopa saavuttaneet Mach 20: n.

Äänen ääni eri välineissä (ilma, teräs, vesi ...)

Lähes aina ääni kulkee kiinteiden aineiden nopeammin kuin nesteissä, ja puolestaan ​​on nopeampi nesteissä kuin kaasuissa, vaikkakin joitain poikkeuksia. Määrittelevä tekijä on ympäristön joustavuus, joka on suurempi kuin atomien tai molekyylien väliset koheesiot, jotka tekevät siitä,.

Esimerkiksi vedessä ääni liikkuu nopeammin kuin ilmassa. Tämä huomataan heti upottamalla pää mereen. Etäisten alusten moottorien äänet voidaan nähdä helpommin kuin silloin, kun ne ovat poissa vedestä.

Sitten äänen nopeus eri medialle, ilmaistuna m/s:

• Ilma (0 ºC): 331
• Ilma (100 ºC): 386
• Makea vesi (25 ºC): 1493
• Merivettä (25 ºC): 1533

Kiinteä huoneenlämpötilassa

• Teräs (Carbon 1018): 5920
• Makea rauta: 5950
• Kupari: 4660
• Vierattu kupari: 5010
• Hopea: 3600
• Lasi: 5930
• Polysireeni: 2350
• Teflon: 1400
• Posliini: 5840

Viitteet

1. Elomeeri. Nopeuspöytä ennalta määritettyihin materiaaleihin. Toipunut: Elcomer.com.
2. Potti. Äänenopeus. Toipunut: NASA.Hallitus
3. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7. painos. McGraw Hill
4. Serway, R., ULOLE, c. 2011. Fysiikan perusteet. 9^naa Ed. Cengage -oppiminen.
5. Sevillan yliopisto. Koneiden numero. Toipunut: Laplace.meille.On