Jak rychle se šíří zvuk ve vzduchu, vodě či například v kovech? Proč se nešíří všude stejně a co ovlivňuje rychlost jeho pohybu v různých prostředích? Jaká je maximální rychlost zvuku a co se děje při její překročení? Pojďme se vypravit na krátkou lekci fyziky.
Rychlost zvuku ve vzduchu - Ve vodě - V pevných látkách
Nadzvuková rychlost a sonický třes - Vzorec
Jednotka a práh slyšitelnosti - Dopplerův jev a ultrazvuk
Rychlost zvuku (a ve kterém prostředí se zvuk šíří nejrychleji)
Rychlost zvuku se liší především v závislosti na prostředí/látce. Zvuk je v podstatě tlaková vlna, která se šíří materiálem. Jakýkoli materiál si můžeme představit jako síť navzájem propojených kmitajících atomů a zvuk jako signál nesoucí se po této síti od jedné částice k druhé. A čím hustější je síť částic dané látky, tím lépe a rychleji se zvuk pohybuje.
Plyny, kapaliny či pevné látky obsahují částice s různě silnými vazbami, proto se v nich zvuk šíří různou rychlostí. V kapalinách na sebe molekuly působí silněji než v plynech, proto se ve vodě zvuk šíří rychleji než ve vzduchu.
Molekuly pevných těles na sebe působí nejsilněji a zvuk se v nich (např. v kovech) nese nejrychleji.
Jelikož potřebuje zvuk ke svému pohybu kmitající částice, ve vakuu, kde neexistují žádné, se zvuk nemůže šířit.
Rychlost šíření zvuku ve vzduchu (m/s )
Rychlost zvuku ve vzduchu mírně kolísá s proměnou teploty. Běžně se jako rychlost zvuku uvádí 343 m/s, což odpovídá teplotě 20 °C.
V tabulce níže můžete vidět, že v teplém vzduchu se zvuk šíří rychleji než ve studeném. Molekuly totiž v teple kmitají rychleji, častěji do sebe naráží a propojují se. Čím intenzivnější je propojení molekul, tím rychleji se látkou zvuk nese.
| Teplota (°C) | Rychlost zvuku (m/s) | Km/h |
| -20 | 319 | 1184 |
| -10 | 325 | 1170 |
| 0 | 331 | 1191 |
| 10 | 337 | 1213 |
| 20 | 343 | 1235 |
| 30 | 349 | 1256 |
| 40 | 355 | 1278 |
| 50 | 360 | 1296 |
1 mach na km/h a nadzvuková rychlost - hypersonická rychlost
Mach či Machovo číslo je označení pro rychlost šíření zvuku (při teplotě zhruba 20 °C). Jeden Mach (1 Ma) se tedy rovná 1225 km/h.
Pomocí Machovo čísla se v letectví udává nadzvuková rychlost, tedy poměrem rychlosti pohybu tělesa (třeba stíhačky) k rychlosti šíření zvuku. Např. stíhačka pohybující se rychlostí mach 2 letí rychlostí 2x vyšší než rychlost zvuku.
Sonický třesk
Také známý jako aerodynamický třesk vnímáme jako ránu podobnou výstřelu. Nastává v okamžiku, kdy např. letoun překročí rychlost zvuku.
Sonický třesk může být nebezpečný pro ovládání letadla i pro zdraví lidí na zemi. Proto také dopravní letouny Concorde mohli létat nadzvukovou rychlostí pouze nad mořem a při přeletu nad zemí museli rychlost snížit pod hranici rychlosti zvuku. Dnešní komerční letadla značky Boeing a další rychlost zvuku nepřekračují.
Rychlost šíření zvuku ve vodě (a ledu)
Ve vodě se zvuk pohybuje rychlostí kolem 1480 m/s. Rychlost šíření zvuku v dalších kapalinách závisí na hustotě - čím je vyšší, tím pomaleji se v ní zvuk pohybuje. Ve většině kapalin se rychlost zvuku pohybuje mezi 1100 a 2000 m/s, tedy rychleji než vzduchem.
| Destilovaná voda | 1 497 m/s | 5 389 km/h |
| Mořská voda | 1 500 m/s | 5 400 km/h |
| Led | 3 250 m/s | 11 700 km/h |
Rychlost zvuku v pevných látkách (ocel, železo, sklo a další)
Nejrychleji se zvuk nese v pevných látkách, oproti vzduchu několikanásobně. Opět záleží na hustotě materiálu i na jeho teplotě. Těžké kovy jako zlato nesou zvuk pomaleji než lehké (např. hliník). Zároveň ve tvrdších kovech, jako např. v oceli, se zvuk pohybuje rychleji než v měkkých (měď).
Rychlost šíření zvuku v pevných látkách při běžných teplotách okolo 20 °C:
| Látka | Rychlost zvuku (m/s) | Km/h |
| Ocel | 5 000 | 18 000 |
| Železo | 5 100 | 18 360 |
| Sklo | 5 200 | 18 720 |
| Hliník | 5 100 | 18 360 |
| Měď | 3 500 | 12 600 |
| Stříbro | 2 700 | 9 720 |
| Zlato | 2 030 | 7 308 |
Jak se vypočítá rychlost zvuku (vzorec a historie)
Výpočet rychlosti šíření zvuku se liší podle skupenství. Jelikož se zvuk šíří pomocí srážek molekul, závisí rychlost zvuku především na rychlosti pohybu molekul. Dále se počítá s hustotou a teplotou prostředí a přítomností dalších látek.
V minulosti byla rychlost zvuku ve vzduchu odvozována porovnáním s rychlostí světla. Podobně jako když během bouřky měříte vzdálenost blesku počítáním uplynulého času mezi zábleskem a hromem.
Poprvé se rychlost zvuku takto pokusil změřit francouzský mnich Marin Mersenne v 17. století. Jeho kolega střílel ze vzdáleného kanónu a Mersenne měřil čas mezi zábleskem u hlavně při výstřelu a okamžikem, kdy k němu dorazil zvuk výstřelu. Jelikož neměl k dispozici přesné hodinky, počítal údery vlastního srdce, načež došel k rychlosti zvuku 430 m/s.
Vzorec pro výpočet rychlosti zvuku naleznete zde.
Hladina intenzity zvuku, jednotka a práh slyšitelnosti
Hladina intenzity zvuku nebo-li úroveň hlasitosti se měří v decibelech (dB) pomocí hlukoměru. Práh bolesti se pohybuje přibližně od 120 dB.
Důležitým faktorem pro slyšení je zvuková frekvence měřená v Herzech (Hz). Lidské ucho je schopno rozeznat zvuky v rozsahu 16 Hz a 20 000 Hz, přičemž horní hranice se s přibývajícím věkem snižuje. Nejcitlivější je ucho na frekvenci v rozmezí 2 - 4 kHz, ve které se pohybuje lidská řeč.
Nižší frekvence než 16 Hz je označována jako infrazvuk. Vyšší frekvence než 20 000 Hz se pak nazývá ultrazvuk, na který jsou citliví psi, delfíny a další zvířata. Ultrazvuk je běžně součástí mnohých lékařských vyšetření v moderní medicíně, např. během těhotenství.
Dopplerův jev
Setkáváme se s ním každý den jako s něčím zcela přirozeným. Když stojíte u silnice a blíží se k vám rychle jedoucí auto, zvuk, který se k vám nese, se postupně zvyšuje. Až vás auto mine, spolu s jeho vzdalováním se bude zvuk opět snižovat.
Dopplerův jev je tedy pojmenování pro změnu v přijímané frekvenci (tedy hloubky zvuku) oproti vysílané frekvenci pohybujícího se zdroje zvuku. Tohoto jevu si všiml a popsal jej rakouský matematik a fyzik Christian Doppler v roce 1842. V současnosti je jev využíván ve zdravotnictví jakožto Dopplerův ultrazvuk.
Dopplerův ultrazvuk
Dopplerova jevu je v medicíně využíváno k měření rychlosti toku krve. Používá se k tomu ultrazvukové vlnění, které je vysíláno do cévy s proudící krví, kde interaguje s červenými krvinkami.
Červené krvinky se vzhledem k ultrazvukové sondě pohybují určitou rychlostí, a proto v důsledku Dopplerova jevu dojde ke změně frekvence vyslaného ultrazvukového vlnění. Změněná/rozptýlená frekvence se vrací zpět k sondě a jejím porovnáním s původní vysílanou frekvencí můžeme určit rychlost pohybu červených krvinek, tedy rychlost proudící krve.
Komentáře
