Jak szybki jest dźwięk? Prędkość dźwięku – najważniejsze informacje

Choć słyszał o niej każdy, niewielu wie, czym właściwie jest. Prędkość dźwięku pobudza wyobraźnię każdego, kto marzy o szybkich podróżach. Czy jednak pojęcie to zawsze oznacza to samo? I czym jest liczba Macha? Poznaj sekrety prędkości dźwięku.

Ile wynosi prędkość dźwięku?

Prędkość dźwięku to pojęcie oznaczające prędkość podłużnego zaburzenia mechanicznego, które przekazuje kolejnym cząsteczkom danej substancji energię drgań innych cząsteczek. Zaburzenie to może pojawić się w ośrodku (materii) o każdym stanie skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. Prędkość dźwięku podawana jest w metrach na sekundę.

Od czego zależy prędkość rozchodzenia się dźwięku w ośrodku? Najważniejszym czynnikiem jest stan skupienia. Nie jest jednak jedynym. W przypadku wielu substancji istotna jest również temperatura oraz, w mniejszym stopniu, wilgotność. Znaczenie ma również typ wiązań chemicznych danego ośrodka oraz wielkość jego atomów. Co ciekawe, powszechnie kojarzone z dźwiękiem właściwości, takie jak natężenie i częstotliwość dźwięku nie mają znaczenia dla prędkości przekazywania energii drgań cząsteczek danego ośrodka.

Powyższe czynniki powodują, że nie jest możliwe jednoznaczne określenie prędkości dźwięku. Najpopularniejszym punktem odniesienia jest prędkość dźwięku w powietrzu. Przyjmując za średnią temperaturę powietrza na poziomie 15℃, prędkość dźwięku wynosi ok. 340,3 m/s, czyli 1225 km/h.

Jak temperatura wpływa na to, ile wynosi prędkość dźwięku, obrazują przykładowe wartości. W gorący, letni dzień z temperaturą na poziomie 30℃ dźwięk będzie osiągał prędkość 348,9 m/s. Z kolei w zimowym mrozie, czyli temperaturze –10℃, wartość ta spadnie do 325,1 m/s.

Pamiętać trzeba, że termin „powietrze” w tym wypadku odnosi się do mieszaniny gazów, jaka występuje na Ziemi. Nagranie przez łazik Perseverance marsjańskiego helikoptera NASA pozwoliło obliczyć prędkość dźwięku na Marsie. Jest to średnio około 240 m/s. Przyczyną jest inny skład atmosfery i znacznie niższa średnia temperatura wynosząca średnio –63℃.

Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach

Rozbieżności dotyczące prędkości dźwięku w różnych ośrodkach są bardzo duże. Wbrew pozorom, prędkość dźwięku w gazach (a więc także powietrzu) nie jest wcale największa. Większa jest zazwyczaj w cieczach, a zwykle jeszcze większa niż w cieczach jest w ciałach stałych.

Przykładem może być hel. W tym gazie w temperaturze 0℃ prędkość rozchodzenia się dźwięku to 965 m/s. To właśnie ta niemal trzykrotnie wyższa wartość niż prędkość dźwięku w powietrzu odpowiada za zmianę głosu na piskliwy po inhalacji helu z balona.

Jeszcze wyższa jest prędkość dźwięku w wodzie. Substancja ta obrazuje, jak odmiennie zachowuje się dźwięk w ośrodkach o różnych stanach skupienia. W wodzie w stanie ciekłym w 20℃ prędkość rozchodzenia się dźwięku wynosi 1480 m/s, natomiast w stałym (jako lód) ta wartość jest ok. trzech razy wyższa.

Stan skupienia nie zawsze jednak jest czynnikiem decydującym. Rozpiętość różnic pokazać można na przykładzie dwóch materiałów będących w stałym stanie skupienia – gumy i aluminium. W zależności od warunków i składu gumy dźwięk w tym materiale może osiągać prędkość ok. 60 m/s. W aluminium natomiast dźwięk mknie z prędkością aż 6320 m/s.

Zobacz: Jaka jest prędkość światła? Wszystko o prędkości światła

Skąd biorą się te różnice? Sekret tkwi w sztywności i gęstości danej substancji. Im sztywniejsza jest, tym większą prędkość osiąga w niej dźwięk. Nie mniej ważna jest również gęstość. W tym przypadku jest odwrotnie – dźwięk jest szybszy w substancjach o mniejszej gęstości.

Powyższe wartości dla człowieka, który naukowo nie zajmuje się fizyką, mogą być jedynie ciekawostką. Wiedza o prędkości dźwięku ma jednak zastosowanie w codziennym życiu. Dzięki niej można np. obliczyć, jak daleko od nas jest burza.

W tym celu wystarczy policzyć, ile sekund mija od błysku pioruna do usłyszenia grzmotu. Załóżmy, że do burzy doszło w upalny, letni dzień. W temperaturze 30 ℃ dźwięk przemieszcza się z prędkością 348,9 m/s. Jeśli od momentu zobaczenia błysku pioruna do pojawienia się grzmotu minęły 3 sekundy, oznacza to, że burza znajduje nieco ponad kilometr od nas.

Czym jest liczba Macha?

Oprócz metrów na sekundę do wyrażania prędkości dźwięku używana jest liczba Macha, potocznie mach (M, Ma). Jednostka ta jest często wykorzystywana w lotnictwie. Jej nazwa pochodzi od nazwiska austriackiego fizyka Ernsta Macha.

Aby wyliczyć, z jaką dokładnie prędkością naddźwiękową leci samolot, należy prędkość tę podzielić przez średnią prędkość dźwięku. Jeśli samolot leci z prędkością 340 m/s, oznacza to, że osiągnął prędkość Mach 1. Maszyna lecąca z prędkością 680 m/s osiąga prędkość Mach 2, a lecąca 170 m/s – Mach 0,5.

Kolejność słów może dziwić, ale nie jest przypadkowa. Jako że liczba ta dotyczy stosunku dwóch wartości o tych samych wymiarach (stosunku prędkości przepływu płynu w danym miejscu do prędkości dźwięku w tym płynie) Mach jest liczbą bezwymiarową, a nie jednostką miary. Z tego właśnie względu poprawnym określeniem jest Mach jeden (i analogicznie Mach dwa, Mach trzy itd.), a nie jeden Mach (dwa Machy, trzy Machy).

Ile wynosi maksymalna prędkość dźwięku?

Skoro prędkość dźwięku jest inna w różnych ośrodkach, można zacząć się zastanawiać, czy wyliczenie wartości granicznej jest w ogóle możliwe. Okazuje się, że tak. Odkrycia tego dokonali naukowcy z dwóch brytyjskich uniwersytetów: Queens Mary of London i Cambridge oraz Institute for High Pressure Physics w Troicku w Rosji.

Sprawdź: Legenda w odświeżonej wersji – Lamborghini Countach LPI 800-4. Supersamochód na miarę XXI wieku

Do obliczenia maksymalnej prędkości dźwięku naukowcy wykorzystali stałą struktury subtelnej, na którą składają się inne stałe fizyczne. Pierwszą z nich jest prędkość światła wynosząca w próżni 299 792 458 m/s, a kolejnymi stosunek mas protonu i elektronu i stała Plancka. Fizycy ustalili, że w warunkach, które naturalnie występują na Ziemi, dźwięk może osiągnąć prędkość maksymalnie 36 000 m/s.

Obliczenia te są jednak wyłącznie teoretyczne. Jedyny ośrodek, w którym dźwięk mógłby rozchodzić się tak szybko, to metaliczny wodór. Pierwiastek ten w takiej postaci nie występuje jednak na Ziemi. Dotychczas nie udało się również uzyskać go w żadnym eksperymencie chemicznym.

Co więcej, prędkość 36 000 m/s ma zastosowanie w przypadku ciał stałych i cieczy, ale nie gazów. Istotne jest także ciśnienie. Maksymalną prędkość wyliczono na podstawie średniej wartości ciśnienia na Ziemi, czyli 1013,25 hPa. W ciśnieniu miliony razy wyższym (6 mln i więcej) maksymalna prędkość dźwięku mogłaby być wyższa niż 36 000 m/s.

Czy w takim razie kiedykolwiek dowiemy się, ile wynosi maksymalna prędkość dźwięku? Ilość zmiennych jest na tyle duża, że być może granicznej wartości (o ile taka istnieje) nie poznamy nigdy.

Przekroczenie bariery dźwięku – czym się objawia?

Bariera dźwięku jest potocznym określeniem osiągnięcia liczby Macha, czyli prędkości 340 m/s. Co ciekawe, gdy samolot dojdzie do takiej prędkości… nie dzieje się nic. Dopiero przekroczenie prędkości dźwięku generuje charakterystyczny „grzmot” towarzyszący przelotowi naddźwiękowego samolotu. Dźwięk ten powstaje na skutek fali uderzeniowej, czyli zwiększenia ciśnienia i temperatury powietrza. Nie jest to jednak jedyne zjawisko towarzyszące temu zjawisku.

Przy przekroczeniu bariery dźwięku występuje również kondensacja powietrza, czyli skraplanie się pary wodnej na przegrodzie. Para skrapla się wówczas po jej cieplejszej stronie. W codziennym życiu z kondensacją pary wodnej można się spotkać na szybach, które z jednej strony są ciepłe (np. wewnątrz pojazdu) a z drugiej zimne (po zewnętrznej stronie).

Kondensacja powietrza przy przekroczeniu bariery dźwięku skutkuje pojawieniem się tzw. obłoku Prandtla–Glauerta. Widoczny jest on z tyłu samolotu. W tym przypadku przegrodą umożliwiającą pojawienie się obłoku skroplonej pary wodnej jest fala uderzeniowa, w której następuje wzrost ciśnienia i temperatury (przez nią powstaje również wspomniany wcześniej grzmot). Powietrze znajdujące się za falą jest chłodniejsze, co prowadzi do skraplania się pary wodnej.

Podczas wejścia w przestrzeń naddźwiękową dochodzi również do refrakcji, czyli załamania fali elektromagnetycznej (w tym wypadku światła widzialnego). Przyczyną refrakcji jest zmiana prędkości tej fali, a skutkiem – powstanie poświaty otaczającej tył samolotu.

Pierwsze przekroczenie bariery dźwięku przez człowieka

Do pierwszego w historii lotu z prędkością naddźwiękową doszło 14 października 1947 roku w Stanach Zjednoczonych. Testowy samolot Bell X–1 pilotował Chuck Yeager, as lotnictwa z czasów II wojny światowej.

Samolot nazwany przez pilota na cześć swojej żony Glamorous Glennis wyposażony był w silnik rakietowy. W powietrze nie wzniósł się jednak sam, lecz został wyniesiony przez bombowiec Boeing B–29 Superfortress. Osiągnięta przez Chucka Yeagera prędkość wyniosła Mach 1,06, czyli 1126 km/h. Historyczny wyczyn został osiągnięty na pułapie 13 115 m.

Thrust SSC – ponaddźwiękowy samochód

Od pierwszego przekroczenia bariery dźwięku w powietrzu do osiągnięcia tego samego na lądzie minęło niemal równo pół wieku. Wyczynu tego dokonano 15 października 1997 roku na pustyni Black Rock w stanie Nevada w USA. Samochód Thrust Super Sonic Car (SSC) pomknął z prędkością 1 227,985 km/h (Mach 1,02). Kierowcą testowym był pilot Royal Air Force Andy Green. Lotnicze konotacje nie kończą się jednak tylko na kierowcy.

Pojazd, który zbudowano na potrzeby pobicia rekordu prędkości, nie miał wiele wspólnego z samochodami. Został zbudowany z kadłuba amerykańskiego naddźwiękowego myśliwca F–104 Starfighter. Silnik Thrust SSC pochodził z innego samolotu naddźwiękowego – F–4 Phantom II. Był dodatkowo wyposażony w zwiększające siłę ciągu dopalacze. Dzięki temu przy maksymalnym ciągu pracował on z mocą 110 000 koni mechanicznych (KM).

Thrust SSC był długi na 16,5 m i szeroki na 3,7 m. Konstrukcja ważyła 10,5 tony. Tak wielka moc była okupiona ogromnym zużyciem paliwa, które wynosiło ok. 18 litrów na sekundę, co przekładało się na 5 500 litrów na 100 km. Użyte paliwo nie było jednak tym stosowanym w samochodach. Było to paliwo lotnicze.

Aby pojazd można było uznać za auto, wyposażono go w cztery koła. Jednak nawet one były specjalnie przygotowane na potrzeby pobicia tego rekordu. Wykonano je z bardzo odpornego na ogromną siłę odśrodkową stopu aluminium. Koła Thrust SSC obracały się aż 8 500 razy na minutę.

Tak rozpędzona maszyna musiała zostać wyposażona w specjalny system hamowania. Oprócz hamulców tarczowych posiadał on dwa spadochrony otwierające się w zależności od aktualnej prędkości. Jeden z nich pozwalał na wyhamowanie z prędkości powyżej 400 km/h, drugi – przy prędkości niższej.

Thrust SSC jest pierwszym i jak na razie jedynym samochodem, który przekroczył prędkość dźwięku. Obecnie jest eksponatem należącym do Muzeum Transportu w Coventry w Wielkiej Brytanii.

Dźwięk jest niezwykłym zjawiskiem fizycznym, którego wszystkich tajemnic nie udało się jeszcze odkryć. Łatwiejsze okazało się za to przekroczenie prędkości dźwięku, co umożliwiło podróżowanie z zawrotną szybkością. Choć na razie lotami naddźwiękowymi cieszyć mogą się jedynie piloci wojskowi, być może w przyszłości pasażerskie podróże powyżej prędkości dźwięku będą normą.