Přeskočit na obsah

Rychlost zvuku

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Veličina

Rychlost zvuku je rychlost, jakou se zvukové vlnění šíří prostředím. Často se tímto pojmem myslí rychlost zvuku ve vzduchu, ale zvuk se může šířit i jinými látkami, například vodou nebo ocelí. Rychlost zvuku závisí na fyzikálních vlastnostech daného prostředí, především na jeho pružnosti a hustotě. V kapalinách a pevných látkách je obecně vyšší než v plynech.

Symbol pro rychlost zvuku je obvykle c (z latinského celeritas, což znamená rychlost) nebo někdy v (z anglického velocity).

Pro suchý vzduch při teplotě 20 °C (293,15 K) je rychlost zvuku přibližně 343 metrů za sekundu, což odpovídá asi 1235 kilometrům za hodinu. Na rozdíl od rychlosti světla ve vakuu, která je fundamentální fyzikální konstantou, rychlost zvuku není konstantní a mění se s podmínkami prostředí.

📜 Historie měření

První pokusy o změření rychlosti zvuku byly spíše kvalitativní. Lidé si odpradávna všímali zpoždění mezi vizuálním vjemem (např. blesk) a zvukovým vjemem (hrom).

🏛️ První vědecké pokusy

Jeden z prvních zaznamenaných pokusů o změření rychlosti zvuku provedl francouzský mnich Marin Mersenne v roce 1636. Měřil čas mezi zábleskem z děla a zvukem výstřelu na známou vzdálenost. Jeho výsledky byly na svou dobu překvapivě přesné. Nezávisle na něm prováděl podobné experimenty i Pierre Gassendi.

V roce 1656 provedli podobný experiment členové florentské Accademia del Cimento. Jejich výsledek byl 330 m/s, což je velmi blízko dnešní uznávané hodnotě.

⚙️ Zpřesňování v 18. a 19. století

Významný teoretický krok učinil Isaac Newton ve svém díle Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Jeho výpočet však předpokládal izotermický děj, což vedlo k hodnotě o zhruba 15 % nižší, než byla experimentálně naměřená. Tuto nesrovnalost opravil až Pierre-Simon Laplace na začátku 19. století, který správně předpokládal, že šíření zvuku je adiabatický děj, při kterém dochází k rychlým změnám teploty a tlaku.

V 18. století provedla Pařížská akademie věd sérii velmi přesných měření za různých teplot, čímž potvrdila závislost rychlosti zvuku na teplotě vzduchu.

⚙️ Fyzikální principy

Rychlost šíření mechanického vlnění v látkovém prostředí je obecně dána vztahem mezi "tuhostí" (pružností) a "setrvačností" (hustotou) prostředí.

Základní vzorec

Obecný vzorec pro rychlost zvuku (fázovou rychlost) je:

c=Kρ

kde:

Tento vzorec se mírně modifikuje pro různá skupenství.

Vliv prostředí

Rychlost zvuku je silně závislá na vlastnostech média, kterým se šíří.

V plynech

Pro ideální plyn lze rychlost zvuku vypočítat pomocí vzorce:

c=γRTM

kde:

Z tohoto vzorce vyplývají důležité závěry:

  • Teplota: Rychlost zvuku v plynu je přímo úměrná druhé odmocnině jeho teploty. V teplejším vzduchu se zvuk šíří rychleji.
  • Složení plynu: V lehčích plynech (např. helium) se zvuk šíří mnohem rychleji než v těžších plynech (např. oxid uhličitý) při stejné teplotě.
  • Tlak a hustota: Při konstantní teplotě nemá změna tlaku vzduchu téměř žádný vliv na rychlost zvuku. Zvýšení tlaku sice zvýší hustotu, ale zároveň úměrně zvýší i modul pružnosti, takže se tyto vlivy navzájem vyruší.
  • Vlhkost: Vlhký vzduch je o něco lehčí než suchý vzduch (molekula vody H₂O je lehčí než průměrná molekula vzduchu), proto se zvuk ve vlhkém vzduchu šíří nepatrně rychleji.

V kapalinách

V kapalinách je rychlost zvuku dána modulem objemové pružnosti (K) a hustotou (ρ) podle základního vzorce. Protože kapaliny jsou mnohem méně stlačitelné než plyny (mají vysoký modul pružnosti), je v nich rychlost zvuku výrazně vyšší. Například ve vodě je to zhruba 1500 m/s. Rychlost zvuku ve vodě závisí na teplotě, salinitě a tlaku (hloubce).

V pevných látkách

V pevných látkách je situace složitější, protože se v nich mohou šířit různé typy vln. Pro podélné (longitudinální) vlny v tenké tyči platí:

c=Eρ

kde:

Pevné látky mají vysoký modul pružnosti, a proto je v nich rychlost zvuku nejvyšší. Například v oceli dosahuje rychlosti kolem 5 960 m/s a v diamantu dokonce přes 12 000 m/s.

📊 Tabulka rychlostí v různých prostředích

Následující tabulka uvádí přibližné hodnoty rychlosti zvuku v různých prostředích za daných podmínek.

Rychlost zvuku v různých materiálech
Prostředí Rychlost zvuku (m/s) Rychlost zvuku (km/h) Poznámka
Suchý vzduch 331 1 192 při 0 °C
Suchý vzduch 343 1 235 při 20 °C
Helium 965 3 474 při 0 °C
Čistá voda 1 482 5 335 při 20 °C
Mořská voda ≈ 1 522 ≈ 5 479 při 20 °C, závisí na salinitě
Led 3 980 14 328 při -4 °C
Hliník 6 320 22 752
Ocel 5 960 21 456
Sklo ≈ 5 640 ≈ 20 304
Diamant 12 000 43 200 Jedna z nejvyšších známých hodnot

✈️ Nadzvuková rychlost

Když se objekt pohybuje rychleji, než je rychlost zvuku v daném prostředí, mluvíme o nadzvukové rychlosti.

Machovo číslo

Pro porovnání rychlosti objektu s rychlostí zvuku se používá bezrozměrná veličina zvaná Machovo číslo (značka M nebo Ma). Je definováno jako poměr rychlosti objektu v k místní rychlosti zvuku c:

M=vc
  • M < 1: Podzvuková rychlost (subsonická)
  • M = 1: Zvuková rychlost (sonická)
  • M > 1: Nadzvuková rychlost (supersonická)
  • M > 5: Hypersonická rychlost

Rázová vlna a zvukový třesk

Když se letadlo nebo jiný objekt přiblíží rychlosti zvuku, zvukové vlny, které vytváří, se před ním "hromadí" a vytvářejí oblast s vysokým tlakem. Při překročení rychlosti zvuku (M > 1) objekt "prorazí" tuto tlakovou bariéru a vytvoří rázovou vlnu. Tato rázová vlna má tvar kužele (tzv. Machův kužel) a na zemi je vnímána jako hlasitý, explozivní zvuk známý jako zvukový (nebo sonický) třesk. Tento jev byl charakteristický například pro nadzvukový dopravní letoun Concorde.

💡 Pro laiky

Proč slyšíme hrom až po blesku?

Toto je klasický příklad rozdílu mezi rychlostí světla a rychlostí zvuku. Světlo se šíří téměř okamžitě (cca 300 000 km/s), zatímco zvuk je mnohem pomalejší (cca 343 m/s). Když udeří blesk, vidíme ho prakticky hned, ale zvuk (hrom) k nám musí teprve docestovat. Změřením času mezi bleskem a hromem si můžeme snadno spočítat vzdálenost bouřky. Jednoduché pravidlo říká: každé 3 sekundy zpoždění znamenají zhruba 1 kilometr vzdálenosti.

Co ovlivňuje rychlost zvuku?

Představte si šíření zvuku jako řadu domina. Rychlost, jakou se vlna šíří, závisí na dvou věcech:

  1. Jak blízko jsou kostky u sebe (hustota): Čím jsou hustší, tím jsou těžší a déle trvá, než jedna shodí druhou.
  2. Jak rychle se kostky vrátí na své místo (pružnost): Čím je materiál "tužší" a pružnější, tím rychleji se energie předává dál.

V pevných látkách a kapalinách je vliv "tuhosti" mnohem silnější než vliv hustoty, proto se v nich zvuk šíří rychleji než ve vzduchu. V teplejším vzduchu se molekuly pohybují rychleji a narážejí do sebe častěji, takže zvuk předávají efektivněji a rychleji.

Co je to "zvuková zeď"?

"Zvuková zeď" není skutečná fyzická zeď. Je to jen obrazné pojmenování pro prudký nárůst odporu vzduchu, kterému čelí letadlo blížící se rychlosti zvuku. V té době se zvukové vlny před letadlem nestíhají "uklidit" z cesty a hromadí se, což způsobuje silné turbulence a ztrátu účinnosti řízení. Jakmile letadlo tuto "zeď" překoná (letí rychleji než zvuk), let se opět zklidní a za letadlem se vytvoří rázová vlna, kterou na zemi slyšíme jako zvukový třesk.

🌍 Využití a význam

Znalost rychlosti zvuku je klíčová v mnoha oborech:


Šablona:Aktualizováno