Vlnění a zvuk
Vlnění a zvuk (6/9) · 3:19

Relativní rychlost zvuku v pevných látkách, kapalinách a plynech V tomto videu David Santo Pietro vysvětluje, jak různé vlastnosti látky ovlivňují rychlost zvuku, který se v ní šíří

Pro změnu rychlosti zvuku musíte změnit vlastnosti látky, skrz kterou se zvuk pohybuje. Existují dva hlavní faktory látky, které určují rychlost zvukové vlny v látce. První je tuhost látky. Neboli jak je tuhá. Čím tužší látka je, tím rychleji se skrz ní zvukové vlny pohybují. To proto, že v tuhém materiálu je každá molekula více propojená s molekulami v okolí. Proto se každý vzruch přenáší rychleji z jedné molekuly na druhou. Druhým faktorem určujícím rychlost zvukových vln je hustota dané látky. Čím hustší látka, tím pomaleji se zvuková vlna šíří. Toto dává smysl, protože čím je materiál hustější, tím má více setrvačnosti a tím pomaleji reaguje změnami pohybu nebo kmitáním. Tyto 2 faktory jsou brány v potaz v následujícím vzorci. ‚v‛ je rychlost zvuku. ‚B‛ označuje modul objemové pružnosti materiálu. Modul objemové pružnosti je veličina, pomocí které fyzici měří, jak je daný materiál tuhý. Jednotkou modulu objemové pružnosti je pascal, protože měří, jaký tlak je nutný ke stlačení materiálu o určitou část. Tuhé, pevné materiály jako kovy mají velký modul objemové pružnosti. Více stlačitelné materiály jako marshmallow mají malý modul objemové pružnosti. ‚ró‛ je hustota materiálu. Jelikož hustota je hmotnost na jednotku objemu, dává hustota představu, jak těžká určitá část materiálu je. Například si vezměme kov, jako je železo. Železo je jistě pevnější a tužší než vzduch. Má mnohem větší modul objemové pružnosti než vzduch. To by znamenalo, že zvuk se bude železem pohybovat rychleji než vzduchem. Ale železo je výrazně hustší než vzduch, což by znamenalo pomalejší pohyb zvuku v něm. Jak to tedy bude? Pohybuje se zvuk v železe rychleji, nebo pomaleji? Ukazuje se, že vyšší tuhost železa více než kompenzuje jeho vyšší hustotu a rychlost zvuku v železe je asi 14krát rychlejší než ve vzduchu. To znamená, že pokud položíte ucho na kolejnici a někdo v dáli do té kolejnice uhodí kladivem, měli byste slyšet úder 14krát dříve v uchu položeném na kolejnici než druhým uchem, které poslouchá na vzduchu. Ve skutečnosti vyšší modul objemové pružnosti tuhých materiálů obvykle vyváží jakékoli vyšší hustoty. Díky tomu je rychlost zvuku téměř vždy vyšší skrz pevné látky než skrz kapaliny a rychlejší v kapalinách než v plynech, protože pevné látky jsou tužší než kapaliny a kapaliny jsou tužší než plyny. Hustota je ovšem v některých aspektech také důležitá. Například pokud ohřejete vzduch, skrz který se šíří zvuk, hustota vzduchu poklesne. To vysvětluje proč se zvuk šíří rychleji teplejším vzduchem ve srovnání se studeným vzduchem. Rychlost zvuku při 20 °C je asi 343 metrů za sekundu, ale rychlost zvuku při 0 °C je jen asi 331 metrů za sekundu. Pamatujte si, že jediný způsob, jak změnit rychlost zvuku, je změnit vlastnosti látky, kterou se zvuk šíří. A zvuk se šíří rychleji v pevných látkách než v kapalinách a v kapalinách je rychlejší než v plynech.
video