|
Меню сайта
Статистика
|
Как измерили скорость звукаКак измерили скорость звукаМысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэкону. По его совету этим занялся французский ученый Марен Марсенн. 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. Марсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответствует 448 м/сек.
Спустя полвека английский ученый Исаак Ньютон вычислил скорость звука теоретически, исходя из упругих свойств воздуха и зависимости объема газа от давления, зависимости, выраженной законом Бойля—Мариотта. Эта скорость оказалась немногим более половины скорости, полученной в опыте Марсенна. Когда теория противоречит опыту, следует искать, где же ошибка. Ее начали искать и в теоретических рассуждениях Ньютона, и в опыте Марсенна. В 1738 г. французская 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/сек. Несовпадение с опытом Марсенна объяснили тем, что его измерение времени было несовершенным. Однако и результат повторного опыта не соответствовал теоретической формуле Ньютона. В 1808 г. французский ученый Пуассон выяснил, что закономерность, обнаруженная Бойлем и Мариоттом (именно она была положена в основу расчетов Ньютона), неприменима для описания, как распространяется звук в воздухе. Этот закон справедлив лишь в том случае, когда объем газа изменяется медленно — так, что сжимаемый газ отдает среде, которая его окружает, возникающее в нем тепло; или, наоборот, так, что медленно расширяющийся газ успевает нагреваться от окружающей среды. Следовательно, постоянство температуры воздуха (основное условие закона Бойля—Мариотта) может быть сохранено лишь в изотермических условиях, т. е. при свободном теплообмене между сжимаемым газом и окружающей этот газ средой. Именно этих условий и нет в звуковой волне. Теплопроводность воздуха мала, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Избыток тепла из слоя сжатия не успевает перейти в слой разрежения. Давление и объем изменяются в соседних слоях без теплообмена и, 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 очень быстро накачивать шину), а расширяющийся — охлаждается. Различие между расширениями газа в изотермических и адиабатических условиях позволило французскому ученому 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. В 1822 г. близ Парижа вновь были поставлены опыты. В них участвовали ученые: Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и др. Результаты опыта совпали с теоретическими вычислениями Лапласа и подтвердили, что скорость звука возрастает с повышением температуры. В сухом воздухе при 0°Ц она равна 331,5 м/сек, а при 20°Ц — 344 м/сек. При одной и той же температуре скорость звука больше в том газе, у которого меньше молекулярный вес. При 0°Ц скорость звука: в водороде — 1284 м/сек, в гелии — 965 м/сек, в азоте — 334 м/сек, в кислороде— 316 м/сек. В воде, упругость которой больше, чем у воздуха, звук распространяется при 20°Ц со скоростью 1484 м/сек. Упругость твердых тел больше, чем жидкости. В алюминии, железе, стали скорость звука равна примерно 5000 м/сек.
|
ПОИСК
Block title
|
