Несмотря на то, что скорость звука в воздухе изучается уже почти 400 лет, до сих пор многие не знают, почему эта величина не является константой и может меняться в широких пределах в зависимости от условий. Давайте разберемся в этом подробнее.
История изучения скорости звука в воздухе
Впервые попытку экспериментально определить скорость звука предпринял французский ученый Марен Мерсенн в 1636 году. Он провел измерения времени между вспышкой от выстрела из ружья и услышанным звуком. В результате Мерсенн получил значение около 343 м/с при температуре воздуха 20°C.
Однако в дальнейших экспериментах выяснилось, что скорость звука может существенно меняться в зависимости от температуры воздуха, его состава, влажности, давления и других параметров.
При температуре 0°C скорость звука в воздухе составляет около 331 м/с, а при 25°C - уже 343 м/с.
Также было обнаружено, что скорость звука в таких газах как водород или гелий значительно выше (см. таблицу).
| Газ | Скорость звука, м/с |
| Азот | 334 |
| Кислород | 316 |
| Воздух | 331 |
| Гелий | 965 |
| Водород | 1284 |
Таким образом, со временем стало ясно, что величина скорости звука в воздухе далеко не константа и может варьироваться в широких пределах.
Основные факторы, влияющие на скорость звука в воздухе
К основным параметрам, от которых зависит скорость звука в воздухе, относятся:
- Температура воздуха
- Давление
- Влажность
- Состав газовой смеси
- Высота над уровнем моря
- Скорость и направление ветра
Рассмотрим подробнее влияние этих факторов.
Повышение температуры воздуха приводит к увеличению средней скорости теплового движения и энергии молекул. В результате, с ростом температуры повышается и скорость распространения звуковых волн.
Аналогичный эффект дает и повышение давления, которое увеличивает концентрацию молекул в единице объема. Кроме того, давление влияет на плотность воздуха, что тоже сказывается на скорости звука.
Повышение влажности воздуха приводит к уменьшению средней скорости молекул из-за большей массы молекул воды по сравнению с молекулами азота и кислорода. Поэтому чем выше влажность, тем ниже значение скорости звука в воздухе.
Влияние состава газовой смеси
Из таблицы в начале статьи было видно, что скорость звука сильно зависит от типа газа. Это связано с массой и размерами молекул. Чем легче молекулы газа, тем выше скорость распространения звуковых волн.
Поэтому добавление легких газов типа водорода или гелия в воздушную смесь приводит к заметному увеличению значения скорости звука в воздухе. А наличие более тяжелых газов, напротив, снижает этот показатель.
Зависимость скорости звука от высоты
С высотой температура воздуха понижается, а давление уменьшается. Эти факторы должны приводить к снижению скорости звука. Однако есть и другие эффекты.
Например, из-за изменения состава воздуха на большой высоте, скорость звука может даже увеличиваться. Поэтому зависимость не всегда линейная.
Экстремальные значения скорости звука
Самые высокие значения скорости звука в воздухе могут наблюдаться в смесях легких газов под очень высоким давлением и температурой.
Например, по некоторым теоретическим оценкам, в газообразном металлическом водороде при давлении свыше 100 млн атмосфер скорость звука может достигать 36 км/с!
Интересные факты
Несмотря на многовековую историю изучения, скорость звука в воздухе до сих пор хранит немало загадок и может удивлять неожиданными аномалиями.
Об одном из таких любопытных случаев мы поговорим в следующем разделе.
Один из самых необычных случаев произошел в августе 2020 года в штате Юта, США. Неподалеку от города Солт-Лейк-Сити наблюдалось аномально высокое значение скорости звука в воздухе, достигавшее 700 м/с!
Причины аномалии скорости звука в Юте
По мнению ученых, это явление может быть связано с образованием так называемых акустических гравитационных волн. Они возникают в гористой местности при определенном сочетании скорости и направления ветра.
Если удастся научиться воспроизводить подобные аномалии скорости звука искусственно, это может найти широкое применение для передачи звуковых сигналов на большие расстояния и создания сверхмощных акустических систем.
Опасность высокой скорости звука
Однако слишком высокие значения могут представлять угрозу для человека и инфраструктуры из-за резкого усиления акустического давления.
Поэтому в случае искусственного создания подобных аномалий потребуются дополнительные меры безопасности.
Перспективы дальнейших исследований
Несмотря на многовековую историю, изучение особенностей распространения звука в атмосфере по-прежнему представляет большой научный интерес и открывает перед человечеством новые возможности.
Одним из наиболее перспективных направлений дальнейших исследований является изучение особенностей распространения звука в разреженных газах и газовых смесях, находящихся под высоким давлением.
Проведение лабораторных экспериментов со звуком в вакууме и других разреженных газах может пролить свет на природу аномально высокой скорости звука, наблюдавшейся в атмосфере.
Создание теоретических моделей и компьютерное моделирование прохождения звуковых волн через газы, находящиеся под давлением в миллионы атмосфер, позволит лучше изучить предельные значения скорости звука.
Поиск оптимальных газовых смесей
Еще одним важным направлением является подбор оптимального состава газовых смесей и исследование особенностей распространения в них звука. Это может привести к созданию новых перспективных материалов и технологий.
Для проведения дальнейших экспериментов потребуется разработка более совершенных приборов, способных точно регистрировать скорость звука в широком диапазоне условий.
Проверка теоретических гипотез
Наконец, важной задачей является проверка существующих и выдвижение новых теоретических гипотез о предельных значениях и аномалиях скорости звука с их последующей экспериментальной проверкой.
Еще одним важным направлением в изучении аномалий скорости звука являются натурные эксперименты в естественных условиях.
Для сбора дополнительных данных целесообразно проводить регулярные замеры скорости звука в атмосфере в разных географических широтах и высотах, а также в условиях экстремальных температур.
Важно собрать и систематизировать уже имеющуюся информацию обо всех зарегистрированных случаях аномально высокой или низкой скорости звука в атмосфере Земли и других планет для последующего анализа.
Перспективно провести целенаправленные замеры скорости звука в местах с особым ландшафтом – горные ущелья, долины, полости и пещеры, для выявления возможного влияния окружающего ландшафта.
Полезно также систематически сравнивать показания скорости звука, измеренные в атмосфере над сушей и над поверхностью водоемов, для выявления различий.
