Физика
Механика
Как измеряли скорость звука
Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский ученый Марен Мер-сенн. В 1630 г. он провел наблюдение над выстрелом из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до наблюдателя звуком. Мерсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 м/с.
Спустя полвека Ньютон вычислил скорость звука теоретически, исходя из упругих свойств воздуха и зависимости удельного объема газа от давления при постоянной температуре, зависимости, выраженной законом Бойля - Мариотта. Эта скорость оказалась немногим более половины скорости, полученной в опыте Мерсенна. Ошибку начали искать в теоретических рассуждениях Ньютона и в опыте Мерсенна.
В 1738 г. Парижская академия наук повторила измерение скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду, что соответствует 337 м/с. Несовпадение с опытом Мерсенна объяснили тем, что его измерение времени было несовершенным. Однако и результат повторного опыта не соответствовал теоретической формуле Ньютона.
В начале XIX в. выяснилось, что расчет Ньютона был неверен. Ньютон предполагал, что распространение звука происходит в изотермических условиях, т. е. при постоянной температуре. Но в действительности этих условий в звуковой волне нет. Теплопроводность воздуха мала, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Избыток тепла из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения, температура между ними не успевает выровняться. Давление и удельный объем изменяются, следовательно, при изменяющейся температуре. Физические процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой, называются адиабатическими.
В адиабатическом процессе сжимаемый газ нагревается (вспомните, как нагревается велосипедный насос, если быстро накачивать шину), а расширяющийся - охлаждается. Различие между расширениями газа в изотермических и адиабатических условиях позволило французскому ученому Пьеру Лапласу объяснить, почему скорость звука, вычисленная по формуле Ньютона, не совпадает с результатом опыта: колебания звукового давления в воздухе происходят в адиабатических, а не в изотермических условиях, т. е. сопровождаются изменениями не только давления и плотности, но и температуры.
В 1822 г. близ Парижа вновь были поставлены опыты. В них участвовали ученые Ж. Гей-Люссак, Д. Араго, А. Гумбольдт и другие. Результаты опыта совпали с теоретическими вычислениями Лапласа и подтвердили, что скорость звука возрастает с повышением температуры. В сухом воздухе при 0°С она равна 331,5 м/с, а при 20° С - 344 м/с.
При одной и той же температуре скорость звука больше в том газе, у которого меньше молекулярная масса. При 0° С скорость звука: в водороде - 1284 м/с в гелии - 965 м/с в азоте - 334 м/с в кислороде - 316 м/с В воде, упругость которой больше, чем воздуха, звук распространяется со скоростью примерно 1500 м/с. Упругость твердых тел больше, чем жидкости, и скорость звука в них еще выше: в алюминии скорость звука равна 6400 м/с, в стекле - 4300 м/с, в кристалле сапфира - 11 400 м/с.
Звуки разной частоты распространяются в воздухе с одной и той же скоростью. Если бы это было не так, мы не могли бы, например, слушать музыку в
исполнении оркестра: звуки, созданные разными инструментами, обгоняли бы друг друга и вместо слаженного звучания оркестра мы слышали бы безобразный шум.
2i.SU ©® 2015