Brzina zvuka – detaljan pregled svih informacija

Tijekom osnovne škole svatko od nas je u sklopu fizike čuo za brzinu zvuka.

Kako biste mogli razumjeti i samo mjerenje brzine zvuka, najprije morate znati njegove osnovne pojmove.

Što je brzina zvuka?

Termin brzina zvuka predstavlja brzinu kojom se širi zvučni val u nekom sredstvu – plinu, tekućini ili materiji u krutom stanju (1). Ona ovisi o elastičnosti i gustoći istog tog sredstva, odnosno medija za suhi zrak.

Valovi su u plinu i tekućini longitudinalni, dok su kod materije u krutom stanju istovremeno longitudinalni i transverzalni (2).

S druge strane, sami zvuk je tlačni val koji se može širiti zrakom kompresijom ili depresijom (3).

Zvuk kojeg mi percipiramo oko sebe je energija koju stvaraju vibracije koje se šire zrakom ili nekim drugim medijem, a možemo ih primiti i čuti kada dospiju do ljudskog uha.

Zvuk putuje u obliku valova. Valovi su vibracijski poremećaji u mediju koji prenose energiju s jedne točke na drugu bez izravnog dodira između te dvije točke.

Pogledajmo koja je brzina zvuka u određenim medijima:

• U zraku na 0°C zvuk putuje brzinom od 331 m/s – za svaki stupanj Celzijusa temperatura raste, a brzina zvuka se povećava za 0,6 m/s (4)
• U vodi na 25°C iznosi 1593 m/s (5)
• U tkivima je 1540 m/s (6)
• U drvu je 3300 – 5000 m/s (7)
• U betonu je 3200 – 3700 m/s (8)
• U čeliku je 5000 – 5700 m/s (8)
• U aluminiju je 6420 m/s (8)

Brzina širenja valnog tlaka je vrlo važna prilikom proučavanja pojave rezonancije u kolektoru klipnog motora te ovisi o karakteristikama okoliša.

Primjerice, plinovi spaljeni u ispušnom razvodniku ovise o njihovoj gustoći i o tlaku.

Znate li kako se mjeri brzina zvuka?

Brzina zvuka se, osim uobičajenim mjernim jedinicama brzine (m/s, km/h), mjeri i nenormiranom jedinicom mah koja predstavlja Machov broj.

Zvuk se širi samo u području gdje ima tvari, odnosno molekula, ali ne giba se kroz vakuum. Za pojedine plinove brzina zvuka ovisi isključivo o njegovoj temperaturi, pa se tako kod zrakoplova prilikom povećanja visine leta brzina zvuka smanjuje uslijed smanjenja temperature zraka s visinom.

Brzina zvuka se može lako izmjeriti ako stojimo ispred neke velike, čvrste prepreke. To mogu biti strma provalija ili planina. Potrebno je stati ispred prepreke s određene udaljenosti koju ćete izmjeriti pomoću daljinomjera.

Nakon toga potrebno je napraviti oštar, glasan zvuk poput udaranja u zvono te u isto vrijeme okretati štopericu. Čim čujete reflektirani zvuk, isključite štopericu.

Brzinu zvuka na taj ćete način moći izmjeriti tako da dvostruku udaljenost do prepreke podijelite s izmjerenim vremenom pomoću formule vs = 2 x S/t (9).

Ponovite mjerenje nekoliko puta i pronađite prosjek, a nakon toga već imate izmjerenu brzinu zvuka.

Kolika je brzina zvuka u zraku?

Poznato je da brzina zvuka u zraku ovisi o temperaturi, a ne o tlaku zraka ili gustoći plina. Gustoća je važna kod tekućine i čvrstih tvari, ali kada govorimo o brzini zvuka u zraku, nije nam važno pitanje gustoće.

Ukoliko uzmemo najosnovnije uvjete – temperaturu od 20°C na nadmorskoj visini od 0 metara, brzina zvuka bi iznosila 343 m/s, odnosno 1 235 km/h.

Pitanje brzine zvuka u zraku je usko povezano s probijanjem zvučnog zida, ali u prvim povijesnim pokušajima da se to ostvari su ljudi naišli na neuspjeh jer se pri postizanju tih brzina stvara poremećaj u tlaku zraka oko letjelice.

Tako se pri postizanju brzine zvuka stvaraju udarni valovi radi otpora tlakova, a ako gledamo na probijanje zvučnog zida iz treće perspektive – percipiramo ih kao praskove.

A kolika je onda brzina zvuka u vodi?

Brzina zvuka u vodi je zapravo longitudinalni val u fluidu. To je, drugim riječima, periodična promjena tlaka koja nastaje zgušnjavanjem i razrjeđivanjem fluida.

Brzina širenja zvuka u morskoj vodi ovisi o tri parametra morske vode, a to su temperatura, slanost i dubina. Svi ovi parametri su sadržani u empirijskom izrazu koji dostatno točno daje tražene rezultate.

Zvučni val koji je nastao u morskoj vodi i dosegnuo granicu voda-zrak ne može nikad postići totalnu refleksiju, što se lako može dokazati.

Temeljem teorijskih razmatranja Newton je također izveo matematički izraz za brzinu širenja zvuka u vodi kroz idealnu tekućinu.

Jakost zvuka je određena srednjom snagom koju zvučni val prenosi po jedinici površine okomite na smjer širenja vala.

Brzina zvuka u vodi temperature nešto preko 7°C je otprilike 1.500 metara u sekundi, odnosno preko 5000 kilometara na sat.

-> Provjerite u našem članku kako možete izmjeriti brzinu interneta.

Povijest mjerenja brzine zvuka u zraku

Prva mjerenja brzine zvuka provedena su već u 17. stoljeću i to od strane Isaaca Newtona.

Newton je još tada ustanovio da je brzina zvuka 298 m/s (10). Iako je njegova procjena bila netočna za nekih 15% zbog toga što se tada nije znalo za svojstvo temperature kao značajnog faktora, njegovu je sitnu grešku korigirao Laplace.

Ipak, oni nisu jedini koji su se pitali kolika je brzina zvuka, što znači da su i drugi kroz povijest neumorno pokušavali izmjeriti brzinu. Tako je, primjerice, tijekom pucanja iz topova mjerena vremenska razlika između bljeska paljenja i trenutka kada se začuje pucanj.

Ovim mjerenjem tada je određena približna brzina zvuka od oko 300 m/s. Također, William Derham je u iste svrhe koristio teleskop s vrha crkve kojim je gledao čovjeka koji je pucao iz revolvera kako bi pokušao izračunati koliko vremena je potrebno da i on sam čuje zvuk pucnjave (11).

Značajan eksperiment su obavili također i Humboldt, Gay-Lussac i Arago davne 1822. godine. Pri obavljaju eksperimenta bila su upotrebljena dva topa koja su bila raspoređena na različitim brežuljcima s razmakom od 18 622 m (1).

Iz topova je pucano naizmjenično te je izmjereno vrijeme od 54,6 sekundi što odgovara brzini od 314 m/s.

U vodiku brzina iznosi 1300 m/s, a u heliju oko 900 m/s.

U kojem predmetu se uči o brzini zvuka

Ovo gradivo obično se uči u okviru fizike, posebno u dijelu koji se bavi akustikom i svojstvima zvuka.

Školarci se upoznaju s osnovama zvučnih valova, načinima na koje se zvuk širi kroz različite medije i faktorima koji utječu na brzinu zvuka.

Ovo područje fizike najčešće je dio nastave u osnovnim i srednjim školama, a detaljnije se proučava na fakultetskim razinama, posebno u studijskim programima koji se bave fizikom, inženjerstvom i sličnim poljima.

Što smo naučili o brzini zvuka?

Jasno je da sama brzina zvuka ovisi o mediju širenja, a samim time i način na koji se širi u mediju pomaže boljem razumijevanju određenih karakteristika prijenosnog medija.

Na taj način će se brzina zvuka promijeniti kada se promijeni temperatura medija za širenje. Razlog tomu je što povećanje temperature dovodi do povećanja učestalosti interakcija između čestica koje nose vibracije, a to se prevodi u povećanje brzine vala.

Nadamo se da ste uz ovaj članak obogatili svoje znanje iz fizike i saznali nešto novo, jer je ovo ipak tema s kojom se svakodnevno susrećemo – svjesno ili nesvjesno.

Sretno u daljnjem istraživanju!

Najčešća pitanja korisnika o brzini zvuka

Koji čimbenici utječu na brzinu zvuka?

Brzina zvuka ovisi o mediju kroz koji se širi, njegovoj temperaturi i, u manjoj mjeri, vlažnosti. Na primjer, zvuk se brže širi u čvrstim tvarima nego u tekućinama, i brže u tekućinama nego u plinovima. Više temperature općenito povećavaju brzinu zvuka u mediju​​.

Kako se mjeri brzina zvuka?

Brzina zvuka se obično mjeri u metrima po sekundi (m/s) ili kilometrima na sat (km/h). Često korištena nestandardna jedinica je Machov broj, koji predstavlja omjer brzine objekta koji se kreće kroz fluid (obično zrak) i brzine zvuka u tom fluidu​​.

Utječe li vlažnost na brzinu zvuka?

Da, vlažnost ima mali, ali mjerljiv utjecaj na brzinu zvuka, uzrokujući njeno povećanje za oko 0,1% do 0,6%. Ovo povećanje je posljedica zamjene težih molekula kisika i dušika u zraku lakšim molekulama vode​​.

Može li brzina zvuka varirati u istom mediju?

Da, brzina zvuka može varirati čak i unutar istog medija, uglavnom zbog promjena temperature. Na primjer, u zraku, brzina zvuka se povećava s porastom temperature​​.

 Je li brzina zvuka konstantna u zraku?

Ne, brzina zvuka u zraku nije konstantna i varira s temperaturom. Na 0°C, brzina zvuka u zraku je približno 331 m/s. Za svaki stupanj Celzijusa povećanja temperature, brzina zvuka se povećava za oko 0,6 m/s​​.