Strona głównaPytania → Od czego zależy prędkość rozchodzenia...

Od czego zależy prędkość rozchodzenia się dźwięku w ośrodku?

Pytanie

Pyta krzysiek

Obserwujemy pozytywną zależność między prędkością rozchodzenia się dźwięku w danym ośrodku a temperaturą ośrodka – kiedy temperatura ośrodka rośnie, prędkość dźwięku w nim także rośnie. Jednak w ośrodkach o wyższej temperaturze odległości między cząsteczkami są większe niż w zimniejszych, a przecież wiemy, że dźwięk rozchodzi się szybciej tam, gdzie cząsteczki ośrodka są mocno skupione (np. w wodzie rozchodzi się szybciej niż w powietrzu o tej samej temperaturze, a jeszcze lepiej w ciele stałym). Skąd ta (pewnie pozorna) sprzeczność?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Dźwięk rozchodzi się ponieważ cząsteczki substancji (powietrza, lodu, metalu) oddziałują na siebie. Gdy popchniemy cząsteczki w jednym miejscu, popchną one sąsiadujące cząstki, które popychają swoich sąsiadów i tak dalej. Prędkość rozchodzenia się takiego zaburzenia, czyli prędkość dźwięku, zależy od dwóch czynników: jak sztywno są ze sobą powiązane sąsiadujące cząsteczki, i jaka jest masa cząstek, czyli gęstość substancji. Sztywność cieczy opisywana jest przez moduł ściśliwości, natomiast ciał stałych przez moduł Younga. Im sztywniejsza substancja tym szybciej rozchodzi się dźwięk. Na przykład prędkość dźwięku w niklu jest około 1.5 razy większa od prędkości dźwięku w brązie. Nikiel i brąz mają podobną gęstość, ale nikiel jest sztywniejszy. Gęstość substancji ma odwrotny wpływ na prędkość dźwięku – im większa gęstość, tym mniejsza prędkość dźwięku: cięższe cząstki jest trudniej wprawić w ruch.

Prędkość dźwięku w wodzie jest faktycznie większa niż w powietrzu. Wynika to z tego, że woda, w porównaniu w powietrzem, jest bardziej „sztywna” niż gęstsza. To znaczy, zwiększająca prędkość dźwięku sztywność przeważa nad zmniejszającą prędkość dźwięku gęstością.

Gdy dodamy temperaturę, sytuacja się mocno komplikuję, ponieważ zmiana temperatury wpływa zarówno na gęstość jak i na sztywność substancji. Ponieważ dla wielu substancji zarówno gęstość jak i sztywność maleją wraz ze wzrostem temperatury, zależność prędkości dźwięku od temperatury nie ma jednoznacznej reguły. Na przykład prędkość dźwięku w wodzie rośnie przy zwiększaniu  temperatury do około 80°C, a następnie zaczyna spadać.