ما هي سرعة الصوت؟
في الغلاف الجوي للأرض ، تبلغ سرعة الصوت 343 مترًا في الثانية ؛ أو كيلومتر واحد بمعدل 2.91 في الثانية أو ميل واحد بمعدل 4.69 في الثانية.
تعتمد سرعة الصوت في الغاز المثالي فقط على درجة حرارته وتكوينه. تعتمد السرعة على الاعتماد الضعيف على التردد والضغط في الهواء العادي ، مما يحيد قليلاً عن السلوك المثالي.
ما هي سرعة الصوت؟
عادة ، تشير سرعة الصوت إلى السرعة التي تنتقل بها موجات الصوت عبر الهواء. ومع ذلك ، فإن سرعة الصوت تختلف وفقا للمادة. على سبيل المثال ، ينتقل الصوت بشكل أبطأ في الغازات ، ويسافر بشكل أسرع في السوائل ، وحتى أسرع في المواد الصلبة.
إذا كانت سرعة الصوت 343 مترًا في الثانية في الهواء ، فهذا يعني أنها تنتقل بسرعة 1،484 مترًا في الثانية في الماء وحوالي 5،120 مترًا في الثانية في الحديد. في مادة صلبة بشكل استثنائي ، مثل الماس على سبيل المثال ، ينتقل الصوت بسرعة 12000 متر في الثانية. هذه هي أعلى سرعة يمكن أن ينتقل بها الصوت في الظروف العادية.
تتكون الموجات الصوتية في المواد الصلبة من موجات ضغط - على غرار الغازات والسوائل - ونوع مختلف من الموجات تسمى الموجات الدورانية ، موجودة فقط في المواد الصلبة. تنتقل الموجات الدورانية في المواد الصلبة بسرعات مختلفة.
يتم تحديد سرعة موجات الانضغاط في المواد الصلبة بواسطة الانضغاطية ، والكثافة ، والمعامل العرضي لمرونة الوسيط. يتم تحديد سرعة الموجات الدورانية فقط بواسطة الكثافة ومعامل المرونة العرضية للوحدة.
في المائع الديناميكي ، يتم استخدام سرعة الصوت في وسط المائع ، سواء كان غازًا أو سائلًا ، كمقياس نسبي لسرعة جسم ما يتحرك عبر الوسط.
وتسمى نسبة سرعة الجسم إلى سرعة الضوء في المائع "رقم مارس" الخاص بالكائن. يشار إلى الكائنات التي تتحرك بشكل أسرع من 1 مارس بأنها كائنات تسير بسرعة تفوق سرعة الصوت.
المفاهيم الأساسية
يمكن إيضاح انتقال الصوت باستخدام نموذج يتكون من سلسلة من الكرات مترابطة بأسلاك.
في الواقع ، تمثل الكرات الجزيئات وتمثل الخيوط الروابط بينها. يمر الصوت عبر النموذج الذي يقوم بضغط وتوسيع الأسلاك ، ونقل الطاقة إلى الكرات المجاورة ، والتي بدورها تنقل الطاقة إلى خيوطها وما إلى ذلك.
تعتمد سرعة الصوت عبر النموذج على صلابة الخيوط وكتلة الكرات.
طالما كانت المسافة بين الكرات ثابتة ، فإن الخيوط الأشد صلابة تنقل الطاقة بشكل أسرع ، والكرات ذات طاقة الإرسال الجماعية أكثر ببطء. يمكن أيضًا فهم تأثيرات مثل التشتت والتفكير باستخدام هذا النموذج.
في أي مادة حقيقية ، تسمى صلابة الخيوط المعامل المرن والكتلة تقابل الكثافة. إذا كانت جميع الأشياء الأخرى متساوية ، فإن الصوت سوف ينتقل ببطء في المواد الإسفنجية وأسرع في المواد الأكثر صلابة.
على سبيل المثال ، ينتقل الصوت بمعدل 1.59 مرة عبر النيكل مقارنة بالبرونز لأن صلابة النيكل أكبر في نفس الكثافة.
وبالمثل ، ينتقل الصوت بمعدل 1.41 مرة أسرع في غاز الهيدروجين الخفيف (البروتيوم) عنه في غاز الهيدروجين الثقيل (الديوتيريوم) ، لأن الغاز الثقيل له خصائص متشابهة ولكن لديه ضعف الكثافة.
في الوقت نفسه ، ينتقل صوت "نوع الضغط" بشكل أسرع في المواد الصلبة من السوائل ويسافر بشكل أسرع في السوائل مقارنة بالغازات.
ويعزى هذا التأثير إلى حقيقة أن المواد الصلبة لديها صعوبة في الضغط أكثر من السوائل ، بينما السوائل ، من ناحية أخرى ، تكون أكثر صعوبة من الضغط من الغازات.
موجات الضغط والموجات الدورانية
في الغاز أو السائل ، يتكون الصوت من موجات الضغط. في المواد الصلبة ، تنتشر الموجات من خلال نوعين مختلفين من الأمواج. ترتبط الموجة الطولية بالضغط وإزالة الضغط في اتجاه السفر ؛ إنها نفس العملية في الغازات والسوائل ، مع وجود موجة ضغط مماثلة في المواد الصلبة.
موجات الضغط فقط موجودة في الغازات والسوائل. يحدث نوع إضافي من الموجة ، يسمى الموجة العرضية أو الموجة الدورانية ، فقط في المواد الصلبة ، حيث إن المواد الصلبة فقط هي التي يمكنها تحمل التشوهات المرنة.
وذلك لأن التشوه المرن للوسط عمودي على اتجاه انتقال الموجة. يُطلق على اتجاه الدوران المشوه استقطاب هذا النوع من الموجة. بشكل عام ، تحدث الموجات العرضية كزوج من الاستقطابات المتعامدة.
يمكن أن يكون لهذه الأنواع المختلفة من الموجات سرعات مختلفة بنفس التردد. لذلك ، يمكنهم الوصول إلى مراقب في أوقات مختلفة. مثال على هذا الموقف يحدث في الزلازل ، حيث تصل موجات الضغط الحادة أولاً وتصل الموجات المستعرضة المتذبذبة بعد ثوانٍ.
يتم تحديد سرعة ضغط الأمواج في السائل بواسطة انضغاط وكثافة الوسط.
في المواد الصلبة ، تشبه موجات الانضغاط تلك الموجودة في السوائل ، اعتمادًا على الانضغاط والكثافة والعوامل الإضافية لمعامل المرونة العرضي.
يتم تحديد سرعة الموجات الدورانية ، التي تحدث فقط في المواد الصلبة ، فقط من خلال معامل عرضية من المرونة وكثافة الوحدة.
