Грім реве через три секунди після яскравого спалаху блискавки на горизонті — це звук подолав рівно кілометр у теплому літньому повітрі. Швидкість звуку в сухому повітрі при двадцяти градусах Цельсія становить саме 343 метри за секунду, або близько 1235 кілометрів за годину. Ця цифра здається скромною порівняно зі світлом, яке мчить 300 000 кілометрів за секунду, але для повсякденного світу вона визначає, як ми сприймаємо сирени, музику чи навіть розмову за столом.
Звук не ліниво повзе, а стрімко пульсує, стискаючи й розширюючи молекули повітря в поздовжній хвилі, ніби невидимі кулаки штовхають одна одну в ланцюжку. У вакуумі, де немає частинок для передачі коливань, швидкість падає до нуля — космос мовчазний, як порожня кімната без меблів. А в щільніших середовищах, як вода чи метал, вона розганяється до неймовірних значень, відкриваючи двері для технологій, що рятують життя та завойовують небо.
Ця базова величина ховає безліч нюансів: від температури, яка може прискорити чи сповільнити хвилю, до пружності матеріалу, що діє як невидима пружина. Розберемося глибоко, з формулами, прикладами та свіжими даними, щоб ви могли не тільки знати, але й відчути, як звук грає з фізикою світу навколо.
Що визначає швидкість поширення звуку: пружність і щільність у дії
Уявіть звук як ланцюгову реакцію: одна молекула штовхає сусідню, та передає імпульс далі, створюючи хвилю тиску. Швидкість залежить від двох ключових факторів — пружності середовища, яка визначає, наскільки легко воно повертається в початковий стан після стиснення, і його щільності, що діє як опір. У газах пружність низька, тому звук повзе повільніше; у твердих тілах, де атоми міцно зв’язані, він летить стрімголов.
Математично це виражається простою формулою для поздовжніх хвиль: c = √(B / ρ), де B — модуль пружності (об’ємної для рідин, поздовжньої для твердих), ρ — густина. Для повітря при стандартних умовах це дає знайомі 343 м/с. А в ідеальному газі формула точніша: c = √(γ R T / M), де γ — адіабатичний показник (1.4 для повітря), R — газова стала, T — абсолютна температура в Кельвінах, M — молярна маса.
Ця залежність робить звук чутливим до оточення. У спекотний день на пляжі грім долетить швидше, ніж узимку в горах, де холод сповільнює молекули. Переходи між розділами плавні, бо кожен фактор переплітається з наступним, ніби хвилі в озері.
Швидкість звуку в повітрі: як температура, вологість і висота грають роль
Повітря — найпоширеніше середовище для звуку в нашому житті, від вуличного гамору до концертних залів. При нульовій температурі сухого повітря швидкість становить 331 метр за секунду, а кожний градус тепла додає приблизно 0,6 м/с. Тож улітку при +30°C вона розганяється до 349 м/с — звук стає жвавішим, ніби підстрибує від спеки.
Ось таблиця залежності від температури для сухого повітря на рівні моря (за даними uk.wikipedia.org):
| Температура, °C | Швидкість звуку, м/с | Густина повітря, кг/м³ |
|---|---|---|
| -10 | 325 | 1.342 |
| 0 | 331 | 1.292 |
| 10 | 337 | 1.247 |
| 20 | 343 | 1.204 |
| 30 | 349 | 1.165 |
Таблиця показує, як тепло розріджує повітря, знижуючи густину й прискорюючи хвилю. Вологість додає нюанс: пара води легша за сухе повітря, тож у вологому повітрі звук мчить на 0,3-0,5% швидше — ідеально для тропічних злив, де грім лунає ближче, ніж здається. На висоті, скажімо 10 км, температура падає до -50°C, швидкість сповільнюється до 300 м/с, що критично для пілотів — звуковий бар’єр стає “м’якшим”.
Практично це пояснює, чому в горах голос лунає з затримкою, а в місті сирена чутна здалеку. Розрахунок простий: відстань поділити на час затримки множити на 343 — і ви знаєте, як далеко грім.
Швидкість звуку в рідинах і твердих тілах: від океанів до сталі
У воді звук перетворюється на могутній потік: при 20°C у прісній — 1481 м/с, у морській з солістю 35‰ — близько 1520 м/с. Солона вода щільніша, але пружніша, тож хвиля мчить у 4-5 разів швидше, ніж у повітрі. Це рятує китів, які чують одне одного за сотні кілометрів, і сонари підводних човнів, що пінгують цілі на відстанях у мірі.
У твердих тілах рекорди: алюміній — 5100 м/с, залізо — 5850 м/с, сталь — до 5960 м/с для поздовжніх хвиль. Поперечні хвилі повільніші, близько 3200 м/с у сталі, бо вимагають зсуву атомів. Перед таблицею варто зазначити: ці значення для стандартних умов, але температура й домішки змінюють їх на відсотки.
| Середовище | Швидкість звуку, м/с (при ~20°C) |
|---|---|
| Повітря | 343 |
| Прісна вода | 1481 |
| Морська вода | 1520 |
| Дерево (довкола волокон) | 3320 |
| Алюміній | 5100 |
| Сталь | 5960 |
Джерела даних: uk.wikipedia.org та engineersedge.com. Уявіть: стукаєте по рейці — звук біжить вздовж неї блискавично, а по повітрю повзе. Сейсмологи використовують це для карти земної кори, розрізняючи P- (поздовжні) та S- (поперечні) хвилі після землетрусів.
Формули для точних розрахунків: від простого до океанського профілю
Для повітря вистачить наближення v = 331 + 0,6 T, де T у °C — з помилкою менше 0,1%. Для морської води емпірична формула Маккензі враховує глибину, солоність і температуру: c = 1449 + 4,6 T – 0,055 T² + 0,00029 T³ + 1,34 (S-35) + 0,016 D, де S — солоність ‰, D — глибина м. На 1000 м у холодній воді вона падає до 1450 м/с, створюючи канал SOFAR для глобального підводного зв’язку.
У твердих: c_l = √[E (1-ν) / (ρ (1+ν)(1-2ν))], де E — модуль Юнга, ν — Пуассона. Ці рівняння — ключ до інженерії: від дизайну мостів до УЗД-апаратів. Спробуйте самі: для T=25°C у повітрі — 346 м/с. Точність вражає, правда?
Нелінійні ефекти при гучних звуках (як вибух) створюють ударні хвилі, де швидкість зростає з амплітудою — пояснення бумів Concorde.
Історія вимірювань: від гарматних пострілів до лазерних імпульсів
Ще в 1635 П’єр Гассенді хронометрував звук від церковних дзвонів на 1 км — отримав 478 м/с, завищено. Марен Мерсенн у 1636 наблизився до 448 м/с. Ньютон у 1687 розрахував 299 м/с теоретично, помилившись, бо вважав процес ізотермічним; Лаплас виправив на адіабатичний, додавши γ.
У 1708 Джон Дерем використав телескоп для фази пострілу гармати — 326 м/с. 1738 французи з гучномовцями на 13 км досягли 332 м/с. XIX століття: Альберт Майкельсон інтерферометром уточнив до міліметрів. Сьогодні лазери та ультразвук вимірюють з точністю 0,001% навіть у плазмі.
Ці кроки перетворили здогадки на науку, що будує літаки та сканери. Кожен експеримент — крок до розуміння невидимого.
Застосування в реальному світі: авіація, медицина, сонари та більше
У авіації число Маха — швидкість до локальної звукової: Mach 1 — бар’єр, з ударною хвилею та бумом. F-22 досягає Mach 2, але на висоті бар’єр нижчий — 295 м/с. Пілоти тренуються долати його без вібрацій.
Медицина: ультразвук (MHz) у тканинах ~1540 м/с генерує зображення плоду чи нирок, літотрипсію для каменів. Сонари в океані використовують профіль швидкості для гідролокації — кити та підводні човни “бачать” за горизонтом.
Сейсмологія розрізняє шари Землі по затримках хвиль; акустична левітація левітує краплі в фармацевтиці. Навіть смартфони коректують звук за температурою для дзвінків. У 2025 моделі вологого повітря (з AIP Journal) уточнюють сонари для кліматичних змін.
- Авіація: Проектування крил для надзвуку, кабіни без тиску.
- Медицина: УЗД, HIFU для пухлин — хвилі фокусуються точніше за швидкість.
- Океанографія: Канал SOFAR передає сигнали на 5000 км.
- Промисловість: Неруйнівний контроль зварних швів ультразвуком.
Після списку ясно: звук — не просто шум, а інструмент, що пронизує матерію. Кожен пристрій спирається на точні знання швидкості.
Цікаві факти про швидкість звуку
На Марсі звук мчить 240-250 м/с, залежно від частоти — розріджена атмосфера CO₂ сповільнює його, роблячи ровер Perseverance “глухим” без мікрофонів.
- У водні найшвидший звук серед рідин — 1790 м/с, бо молекули туго зв’язані.
- Дельфіни клацають ехолокацією на 1500 м/с, ловлячи рибу за 100 м.
- У діаманті — 12 000 м/с, найшвидше серед природних!
- Гіперзвук (Mach 5+) у ракетах 2026-го (як X-51A) генерує плазму, де звук не поширюється.
- У Сонці — 500 км/с, бо температура 15 млн °C!
Ці перлини показують, як фізика дивує в несподіваних куточках.
Звукові хвилі продовжують розкривати таємниці: від глибин океану до стратосфери, де нові гіперзвукові дрони тестують межі в 2026-му. Кожен розрахунок, кожен прилад нагадує — світ пульсує в ритмі цих невидимих мандрівників.
Залишити відповідь