Lydhastighetsbeskrivelse og formler, beregning, faktorer

De Lydhastighet Det tilsvarer hastigheten som langsgående bølger blir forplantet i et gitt medium, og produserer påfølgende kompresjoner og utvidelser, som hjernen tolker som lyd.

Dermed reiser lydbølgen en viss avstand per tidsenhet, noe som avhenger av mediet den beveger seg. Faktisk krever lydbølger et materielt medium for å produsere kompresjoner og utvidelser som vi nevner i begynnelsen. Det er grunnen til at lyden ikke er spredt.

Figur 1. Supersonic Plane Breaking the Sound Barrier. Kilde: Pixbay

Men når vi lever nedsenket i et lufthav, har lydbølgene et middel til å bevege seg og tillate audition. Lydens hastighet i luften og ved 20 ºC er 343 m/s (1087 fot/s) omtrent, eller omtrent 1242 km/t hvis foretrukket.

For å finne lydhastigheten i et medium, må du vite litt om egenskapene til dette.

Siden det materielle mediet er modifisert vekselvis slik at lyden kan spre seg, er det godt å vite hvor enkelt eller vanskelig det er å deformeres den. Komprimerbarhetsmodulen B tilbyr oss den informasjonen.

På den annen side betegnet tettheten av mediet, som er betegnet som ρ Det vil også være relevant. Ethvert medium har en treghet som oversettes til motstand mot passering av lydbølger, i hvilket tilfelle vil hastigheten på dem være lavere.

[TOC]

Hvordan beregne lydhastigheten?

Lydens hastighet i et medium avhenger av de elastiske egenskapene til den, og tregheten som presenterer. Være v Lydens hastighet, generelt er det sant at:

Elastisk egenskap er representert med volumetrisk modul B, mens treghetseiendom er gitt ved tetthet. Dermed:

Dette uttrykket er gyldig for lyd ved å bevege en væske som luft, for eksempel.

Kan tjene deg: vektorstørrelse

Hooke's Law slår fast at deformasjon i midten er proporsjonal med innsatsen som brukes. Proporsjonalitetskonstanten er nettopp komprimerbarhetsmodulen eller volumetrisk modul for materialet, som er definert som:

B = - enhetlig deformasjon/deformasjon

UNITURE deformasjon er volumendringen  Dv delt mellom det opprinnelige volumet V_enten. Som er kvotienten mellom volumene, mangler den dimensjoner. Tegnet mindre før B betyr at gitt innsatsen som er gjort, som er en økning i presset, er det endelige volumet mindre enn den første. Med alt dette får vi:

B = -ΔP/ (ΔV/v_enten)

I en gass er den volumetriske modulen proporsjonal med trykket P, å være konstant av proporsjonalitet γ, kalt gass adiabatisk konstant. Denne måten:

B = γP

Enhetene til B er de samme som for press. Endelig gjenstår hastigheten:

Lydhastighet i utvidet ideal og faste gasser

Forutsatt at mediet er en ideell gass, kan trykket erstattes P I uttrykket gitt for hastighet. For ideelle gasser er det oppfylt at:

Hvor ρ Det er tetthet, som vi sa før, R Det er gassen konstant, M Det er molekylmassen og T Det er den absolutte temperaturen i Kelvin. På denne måten har lydhastigheten i en ideell gass vært:

Figur 2. Dermed beveger lyden seg i et medium. Kilde: Wikimedia Commons. Christophe Dang Ngoc Chan (Cdang) [CC BY-SA 3.0 (http: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0/]]

La oss nå se hva som skjer hvis mediet er et utvidet fast stoff. I dette tilfellet må en annen egenskap av mediet tas med i betraktningen, som er ditt svar på skjær eller kuttet innsats:

Hvor S Det er kuttmodulen som det ble henvist til. I alt dette antar vi et isotropisk medium, det vil si en hvis egenskaper alltid er den samme.

Kan tjene deg: termisk utvidelse

Faktorer som lydhastigheten avhenger av

Som vi har sett, kan lydhastigheten i et medium bestemmes ved å kjenne egenskapene til nevnte medium. Veldig elastiske materialer lar lyden spre seg lettere, mens den tetteste motstander.

Temperatur er en annen viktig faktor. Fra ligningen for lydhastigheten i en ideell gass, kan det sees at ved en høyere temperatur T, Høyere hastighet. Som alltid, jo større molekylmasse M, lavere hastighet.

Derfor er ikke lydhastigheten strengt tatt en konstant, siden atmosfæriske forhold kan innføre variasjoner i verdi. Det forventes at i større høyde over havet, der temperaturen blir lavere, synker hastigheten på lyden.

Det anslås at i luften øker lydhastigheten med 0,6 m/s per 1 ºC som stiger temperaturen. Øk i vannet 2.5 m/s per 1 ºC høyde.

Bortsett fra de nevnte faktorene -elastisitet, er tetthet og temperatur -det er andre involvert i spredning av lydbølger i henhold til mediet, for eksempel: for eksempel:

-Luftfuktighet

-Vann saltholdighet

-Press

Lyd og temperatur

Fra ovenstående følger det at temperaturen virkelig er en avgjørende faktor i lydhastigheten i et medium.

Når stoffet blir oppvarmet, skaffer molekylene seg raskere og er i stand til å kollidere oftere. Og jo mer de kolliderer, jo større er lydhastigheten inni.

Lydene som reiser gjennom atmosfæren vanligvis interesserer, siden vi i dette er fordypet og vi bruker mesteparten av tiden. I dette tilfellet er forholdet mellom lydhastigheten og temperaturen som følger:

331 m/s er lydhastigheten i luften ved 0 ºC. Ved 20 ºC, tilsvarer 293 Kelvin, er lydhastigheten 343 m/s, som nevnt i begynnelsen.

Kan tjene deg: 13 eksempler på Newtons første lov i det virkelige liv

Machs nummer

Mach -nummeret er en ikke -dimensjon som er gitt av kvotienten mellom hastigheten til et objekt, vanligvis et fly og lydhastigheten. Det er veldig praktisk å vite hvor raskt et fly beveger seg med hensyn til lyden.

Være M Mach -nummeret, V hastigheten på objektet -flyet-, og v_s Lydens hastighet, har vi:

M = volum_s

For eksempel, hvis et fly beveger seg til Mach 1, er hastigheten den samme som lyden, hvis det beveger seg til Mach 2 er dobbelt og så videre. Noen ubemannede eksperimentelle militære fly har til og med nådd Mach 20.

Lyd av lyd i forskjellige medier (luft, stål, vann ...)

Nesten alltid reiser lyden raskere i faste stoffer enn i væsker, og på sin side er den raskere i væsker enn i gasser, selv om det er noen unntak. Den avgjørende faktoren er miljøets elastisitet, som er større som samhold mellom atomer eller molekyler som utgjør det,.

For eksempel i vann beveger lyden seg raskere enn i luften. Dette blir umiddelbart lagt merke til ved å senke hodet i havet. Lydene fra motorene til de fjerne fartøyene kan sees lettere enn når de er ute av vannet.

Deretter lydhastigheten for forskjellige medier, uttrykt i M/s:

• Luft (0 ºC): 331
• Luft (100 ºC): 386
• Ferskvann (25 ºC): 1493
• Sjøvann (25 ºC): 1533

Fast ved romtemperatur

• Stål (karbon 1018): 5920
• Søtt jern: 5950
• Kobber: 4660
• Rullet kobber: 5010
• Sølv: 3600
• Glass: 5930
• Polystirene: 2350
• Teflon: 1400
• Porselen: 5840

Referanser

1. Elcomer. Hastighetsbord for forhåndsdefinerte materialer. Gjenopprettet fra: Elcomer.com.
2. GRYTE. Lydhastighet. Gjenopprettet fra: NASA.Gov
3. Tippens, p. 2011. Fysikk: konsepter og applikasjoner. 7. utgave. McGraw Hill
4. Serway, r., Vulle, c. 2011. Fundamentals of Physics. 9^na Ed. Cengage Learning.
5. Sevilla University. Mach -nummer. Gjenopprettet fra: Laplace.oss.er