Ở 20 độC, trong một khoảng thời gian nào đó, nếu âm thanh truyền trong thép được quãng đường 6,1 km thì trong không khí nó sẽ đi được quãng đường dài bao nhiêu? Biết vận tốc âm trong thép và không khí lần lượt là 6 100m/s và 340 m/s. Show sau bao lâu tín hiệu âm truyền đến đáy, biết tốc độ truyền âm trong nước là v = 1500 m/s. Xem chi tiếtTa mở rộng suy luận của phần trước để đánh giá tốc độ lan truyền của sóng âm trong chất khí. Trên hình 17.5a, ta khảo sát khối khí hình trụ nằm giữa piston và đường gạch đứt. Khối khí này nằm yên cân bằng nhờ sự tác dụng của hai lực có cùng độ lớn: áp lực từ piston từ phía bên trái và áp lực khí bên phải tạo ra. Mỗi lực này có độ lớn bằng \(PA\), trong đó \(P\) là áp suất của khí, còn \(A\) là tiết diện ngang của ống. Hình 17.5b mô tả hệ sau khoảng thời gian \(\Delta t\), theo đó piston di chuyển sang phải với vận tốc không đổi \(v_x\) nhờ lực đẩy piston từ phía bên trái đã tăng lên thành \((P+\Delta P)A\). Lúc này mọi phần tử khí trong vùng khảo sát đều chuyển động sang trái với vận tốc \(v_x\). Ta cố tình chọn độ dài của vùng khí khảo sát bằng \(v\Delta t\), với \(v\) là vận tốc truyền âm. Sau thời gian \(\Delta t\), khí nằm bên phải nét gạch đứt vẫn đứng yên, chưa bị ảnh hưởng bởi sóng âm còn chưa vươn đến. Phần khí khảo sát được mô tả như một hệ cô lập. Lực từ piston tạo ra một biến thiên về động lượng. Tổng hợp lực này bằng \(F=A\Delta P\) và sinh ra xung lực: \[\vec{I}=\sum{\vec{F}\Delta t}=(A\Delta P\Delta t)\vec{i}.\] Độ biến thiên áp suất liên quan đến độ biến thiên thể tích và modul khối: \[\Delta P=-B\frac{\Delta V}{V}=-B\frac{-v_xA\Delta t}{vA\Delta t}=B\frac{v_x}{v}.\] Từ đây xung lực bằng: \begin{equation} Độ biến thiên động lượng của khối khí khảo sát: \begin{equation} Theo định luật Newton thứ hai viết dưới dạng xung lực: \[\Delta\vec{p}=\vec{F}\Delta t.\] Thế \(\Delta\vec{p}\) và \(\vec{F}\) vào thu được: \[\rho vv_xA\Delta t=AB\frac{v_x}{v}\Delta t.\] Sau khi giản ước, ta có được biểu thức của vận tốc truyền âm: \begin{equation} Sẽ rất thú vị khi ta so sánh biểu thức này với vận tốc truyền sóng trên sợi dây: \(v=\sqrt{\dfrac{T}{\mu}}\) (Chương 16). Trong cả hai trường hợp, vận tốc lan truyền sóng phụ thuộc vào tính đàn hồi của môi trường (modul khối \(B\) hoặc lực căng dây \(T\)), cũng như phụ thuộc vào quán tính của vật chất môi trường (khối lượng riêng \(\rho\) hoặc khối lượng trên một đơn vị độ dài dây \(\mu\)). Vận tốc lan truyền của tất cả các sóng cơ học đều có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát: \[v=\sqrt\frac{\text{elastic property}}{\text{inertial property}}.\] Trong trường hợp sóng dọc lan truyền trong chất rắn, vận tốc truyền âm phụ thuộc vào suất Young và khối lượng riêng của môi trường. Bảng 17.1 đưa ra một vài giá trị của vận tốc truyền âm trong những môi trường khác nhau.  Thực tế cho thấy vận tốc truyền âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường, bởi nhiệt độ ảnh hưởng đến tính đàn hồi và mật độ vật chất. Với trường hợp không khí, vận tốc truyền âm phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức: \begin{equation} trong đó 331 m/s là vận tốc truyền âm trong không khí ở \(0^\circ\)C, còn \(T_C\) là nhiệt độ không khí ở thang đo Celsius. Dùng công thức trên có thể tính ra được vận tốc truyền âm trong không khí ở \(20^\circ\)C xấp xỉ 343 m/s. Con số trên cho ra một phương pháp thuận tiện giúp ước lượng khoảng cách đến một cơn giông. Đầu tiên đếm số giây kể từ khi có tia chớp đến khi nghe được tiếng sấm. Sau đó lấy con số này chia cho 3, sẽ ra được giá trị khoảng cách tính theo km, bởi \(343 \mathrm{m/s}\approx\frac{1}{3} \mathrm{km}\). Nhìn vào biểu thức \(\eqref{eq:17.8}\), ta có thể viết lại mối liên hệ (17.4) giữa độ chuyển dời và biến thiên áp suất: Vận tốc âm thanh là gì? Tốc độ âm thanh trong không khí là bao nhiêu? Những nhà vật lý đã lí giải hiện tượng này như thế nào? Ở đây, bài viết này của Vimi sẽ cung cấp cho bạn những điều thú vị về vận tốc âm thanh cũng như cách tính toán tốc độ của âm thanh mà có thể bạn chưa biết. Nội dung chính 1. Khái niệm Vận tốc âm thanhVận tốc của âm thanh thực ra là tốc độ truyền đi của một sóng âm thông qua một môi trường nhất định, trong một khoảng thời gian xác định. Âm thanh tự nó là một cảm giác được tạo ra trong não bộ của con người để phản ứng với các giác cảm từ tai trong. Vận tốc này biến động phụ thuộc vào môi trường mà âm thanh truyền qua. Nó thay đổi tùy theo độ đàn hồi, cũng như khối lượng riêng từ mỗi loại môi trường, cụ thể là mật độ và nhiệt độ. Khi môi trường truyền âm càng lý tưởng, tốc độ truyền âm càng nhanh và ngược lại. Điều này mang hàm ý rằng vận tốc âm thanh trong môi trường chất rắn sẽ tốc độ hơn so với trong nước, còn chậm chất là truyền âm qua không khí. 2. Tốc độ âm thanh trong không khí là bao nhiêu?Biết được vận tốc âm thanh là gì thì cũng cần trả lời câu hỏi: tính toán vận tốc đó ra sao? Lấy một môi trường quen thuộc nhất với chúng ta là không khí, các nhà khoa học ước tính được, ở mức nhiệt độ 20ºC (68ºF), thì vận tốc âm thanh rơi vào con số 343m/giây. Và để có phép tính chuẩn xác, Vimi cung cấp cho các bạn thông tin về vận tốc của âm thanh như sau:
Tại môi trường không khí: Vận tốc âm thanh = 12348 km/h Vận tốc âm thanh = 1,2348 km/s Vận tốc âm thanh = 0,343 m/h Vận tốc âm thanh = 343 m/s So sánh với vận tốc trong các môi trường nước và rắn thì con số vận tốc tăng tới 15 lần (1481m/s – môi trường nước (nhanh hơn khoản 4,3 lần); đạt tới 5120 m/s nếu truyền âm qua sắt (tốc độ cao gấp 15 lần).
Vận tốc âm thanh = 0,231 mph Vận tốc âm thanh =767,269 mps Vận tốc âm thanh = 1125,328 ft/h Vận tốc âm thanh = 4051181,1 ft/s Vận tốc âm thanh = 666739 knot 3. Sự tác động từ đặc điểm môi trường đến vận tốc âm thanhMặc dù những con số cho chúng ta biết sự khác nhau trong tốc độ truyền âm thanh qua mỗi môi trường tương ứng, nhưng về mặt vật lý, thực chất vì sao vận tốc âm thanh lại chịu sự tác động từ đặc điểm môi trường? Thực chất, tốc độ truyền đi của âm thanh và đặc tính, tính chất của môi trường nó truyền qua có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Cụ thể, khi một dao động âm được truyền đi làm các hạt phân tử cấu tạo trong môi trường đó chuyển động quanh trạng thái cân bằng vốn có. Khi một hạt cấu tạo bất kì đi lệch ra quỹ đạo cân bằng thì các hạt phân tử khác sẽ tác động để đưa nó quay lại vị trí ban đầu. Hiện tượng này nghĩa là đặc tính cấu tạo của các môi trường có khả năng phản kháng lại trạng thái mất cân bằng đó. Các môi trường chúng ta đề cập tới ở đây là nước, không khí và chất rắn, mỗi môi trường sở hữu trạng thái phân tử không giống nhau, kéo theo khả năng chống lại khác nhau. Môi trường nào có kết cấu phân tử mạnh, khả năng dao động truyền qua cao thì vận tốc âm thanh cũng đạt tốc độ tốt hơn. 4. Vận tốc âm thanh dạng siêu thanhNhắc tới vận tốc âm thanh, không thể bỏ qua vận tốc siêu thanh, dạng âm thanh sở hữu tần số cao hơn mức nghe được của tai chúng ta. Cụ thể, vận tốc siêu thanh trong điều kiện không khí thường lớn hơn hoặc bằng Mach 1 (343m/giây). Và khi tốc độ của âm thanh đạt ngưỡng quá Mach 5 thì người ta gọi hiện tượng vật lý đó là cực siêu thanh, vận tốc hơn mức bình thường 5 lần. Một số vật thể được xếp vào tốc độ âm thanh dạng siêu thanh có thể kể đến máy bay chiến đấu, tàu vũ trụ, hay độ bay của đạn bắn ra từ hầu hết các khẩu súng đều là siêu thanh. 5. So sánh tốc độ âm thanh với tốc độ ánh sángDựa theo các nghiên cứu khoa học và vật lý từ trước tới nay, vận tốc cực kỳ nhanh của ánh sáng đạt con số 300 nghìn km mỗi giây. Có thể dễ dàng nhận thấy, vận tốc âm thanh như đã có ở trên, là chậm hơn rất nhiều khi đặt vào bàn cân với ánh sáng. Đây cũng là câu trả lời cho việc mỗi khi trời xuất hiện sấm sét thì thứ ta cảm nhận được đầu tiên là ánh sáng từ tia sét, rồi sau đó mới tới tiếng sấm. Toàn bộ là những thông tin được Vimi tổng hợp và cung cấp đến bạn đọc nhằm trả lời cho câu hỏi vận tốc âm thanh là gì, cũng như tốc độ âm thanh truyền đi trong không khí là bao nhiêu. Mong rằng những chia sẻ trên đều hữu ích và thú vị đối với mọi người. |
