Zainab Ilyas

· 11 Dec 2021

Follow Following

Wat is de snelheid van het geluid?

Een geluidsgolf is een drukgolf die via deeltjes-naar-deeltjescontact over een medium beweegt. Wanneer een deeltje verstoord is, oefent het een kracht uit op het volgende nabijgelegen deeltje, waardoor dat deeltje wordt verstoord en de energie over het medium wordt getransporteerd. De snelheid van een geluidsgolf, net als elke andere golf, heeft betrekking op hoe snel de verstoring van deeltje naar deeltje wordt overgebracht. Hoewel de frequentie verwijst naar het aantal trillingen dat door één deeltje per tijdseenheid wordt gemaakt, heeft de snelheid betrekking op de afstand die per tijdseenheid wordt afgelegd door de storing. Denk er altijd aan om onderscheid te maken tussen de twee vaak verkeerde aantallen snelheden (hoe snel.) en frequentie (hoe vaak.).

Omdat de snelheid van een golf wordt gedefinieerd als de afgelegde afstand per tijdseenheid door een punt op de golf (zoals een compressie of verdunning), wordt deze gewoonlijk gegeven in meters per seconde (afgekort m/s). Zo ziet het er in vergelijkingsvorm uit.

snelheid = distance/time

Een geluidsgolf zal in dezelfde tijd meer ruimte innemen als deze sneller reist. Als een geluidsgolf 700 meter in 2 seconden aflegt, is de snelheid van de golf 350 meter per seconde. Een langzamere golf zou minder afstand afleggen in dezelfde tijd - mogelijk 660 meter - en dus een snelheid van 330 meter per seconde hebben. Golven die sneller reizen, bedekken meer grond in dezelfde tijd.

Factoren die de golfsnelheid beïnvloeden

De snelheid van elke golf wordt bepaald door de kwaliteiten van het medium waar hij doorheen reist. Golfsnelheid wordt vaak beïnvloed door twee soorten eigenschappen: traagheidseigenschappen en elastische eigenschappen. Wanneer een kracht of spanning op een materiaal wordt uitgeoefend, zijn de elastische eigenschappen die betrekking hebben op de helling van het materiaal om zijn vorm te behouden en niet te vervormen. Wanneer een spanning wordt uitgeoefend op een materiaal zoals staal, zal het een zeer kleine vervorming van vorm (en afmeting) ondergaan. Staal is een stijf, elastomeerrijk materiaal. Een rubberen band daarentegen is een zeer flexibel materiaal dat snel vervormt of van vorm verandert wanneer er een kracht wordt uitgeoefend om het uit te rekken. De rubberen band vervormt dramatisch wanneer het aan een bescheiden hoeveelheid kracht wordt onderworpen. Een rubberen band wordt beschouwd als een flexibel materiaal, terwijl staal als een stijve of harde substantie wordt beschouwd. Een stijve of onverzettelijke stof wordt op deeltjesniveau gedefinieerd door atomen en/of moleculen die een aanzienlijke aantrekkingskracht op elkaar hebben. Wanneer een kracht aan het materiaal wordt gegeven in een poging het uit te rekken of te vervormen, voorkomen de sterke deeltjesinteracties van het materiaal dat het materiaal vervormt en helpen het zijn vorm te behouden. Men denkt dat staal en andere stijve materialen een hoge flexibiliteit hebben. (De technische zin is elastische modulus.) De elastische eigenschappen van het medium worden sterk beïnvloed door de fase van materie. Vaste stoffen hebben de krachtigste deeltjesinteracties, gevolgd door vloeistoffen en tenslotte gassen. Als gevolg hiervan bewegen longitudinale geluidsgolven in vaste stoffen sneller dan in vloeistoffen en gassen. Ondanks het feit dat de traagheidsfactor gassen bevordert, heeft de elastische component een sterkere invloed op de golfsnelheid (v), wat resulteert in dit algemene patroon.
vaste stoffen > vloeistoffen > gassen

Traagheidskwaliteiten verwijzen naar de neiging van een materiaal om traag te zijn als reactie op veranderingen in zijn bewegingstoestand. Een voorbeeld van een traagheidseigenschap is de dichtheid van een medium. Hoe groter de traagheid (d.w.z., massadichtheid) van individuele middelgrote deeltjes, hoe minder gevoelig ze zijn voor interacties tussen omringende deeltjes, en hoe langzamer de golf. Zoals eerder vastgesteld, bewegen geluidsgolven sneller in vaste stoffen dan in vloeistoffen dan in gassen. Binnen een enkele fase van materie is het traagheidskenmerk van dichtheid echter degene die de grootste invloed heeft op de geluidssnelheid. In een minder dicht medium reist een geluidsgolf sneller dan in een dichtere substantie. Als gevolg hiervan reist een geluidsgolf in Helium ongeveer drie keer sneller dan in de lucht.

De snelheid van geluid in de lucht

De snelheid van een geluidsgolf in de lucht wordt bepaald door de kwaliteiten van de lucht, met name temperatuur en, in mindere mate, vochtigheid. De aanwezigheid van waterdamp in de lucht veroorzaakt vochtigheid. Water heeft, net als elke andere vloeistof, de neiging om te verdampen. Als gevolg hiervan raken deeltjes gasvormig water in de lucht vermengd. Deze verhoogde stof zal invloed hebben op de massadichtheid van de lucht (een traagheidseigenschap). De sterkte van deeltjesinteracties wordt beïnvloed door temperatuur (een elastische eigenschap). De temperatuurafhankelijkheid van de snelheid van een geluidsgolf door droge lucht wordt benaderd door de volgende vergelijking bij normale atmosferische druk:

v = 331 m/s + (0.6 m/s/C)•T
waarbij T de temperatuur van de lucht is in graden Celsius. Het gebruik van deze vergelijking om de snelheid van een geluidsgolf in lucht bij een temperatuur van 20 graden Celsius te bepalen, levert de volgende oplossing op.

v = 331 m/s + (0.6 m/s/C)•T
v = 331 m/s + (0.6 m/s/C)•(20 C)

v = 331 m/s + 12 m/s

v = 343 m/s

(For temperatures between 0 and 100 Celsius, the preceding equation relating the speed of a sound wave in air to temperature offers generally accurate speed figures.) De vergelijking heeft geen theoretische basis; het is slechts het resultaat van het bekijken van temperatuursnelheidsgegevens voor dit temperatuurbereik. Er bestaan andere vergelijkingen op basis van theoretisch redeneren, en ze bieden nauwkeurige gegevens voor alle temperaturen. Desalniettemin is voor onze doeleinden als beginnende natuurkundestudenten de bovenstaande vergelijking voldoende.)

Golfsnelheid gebruiken om afstanden te bepalen

Een geluidsgolf beweegt bij ongeveer 343 m/s onder normale atmosferische druk en een temperatuur van 20 graden Celsius, die ongeveer 750 mijl per uur is. Hoewel deze snelheid volgens menselijke maatstaven snel lijkt (de snelste mensen kunnen sprinten met 11 m/s en snelwegen zijn ongeveer 30 m/s), is de snelheid van een geluidsgolf bescheiden in vergelijking met de snelheid van een lichtgolf. Licht stroomt door lucht met een snelheid van 300.000.000.000.000 m/s, of ongeveer 900.000.000 keer de snelheid van geluid. Als gevolg hiervan kunnen mensen tijdens een storm een waarneembare tijdelijke vertraging voelen tussen donder en bliksem. De lichtgolf van de blikseminslag komt in zo'n korte tijd aan dat deze bijna onmerkbaar is. De komst van de geluidsgolf vanaf de plaats van de blikseminslag duurt daarentegen aanzienlijk langer. Het tijdsverschil tussen de komst van de lichtgolf (bliksem) en de komst van de geluidsgolf (donder) stelt een persoon in staat om zijn afstand tot de storm te schatten. Als er bijvoorbeeld 3 seconden na de bliksem donder wordt gehoord, heeft geluid (met een snelheid van 345 m/s) een afstand van 345 meter afgelegd.
afstand = v • t = 345 m/s • 3 s = 1035 m

De storm is 0,65 mijl afstand wanneer dit cijfer wordt omgezet in mijlen (divisie met 1600 m/1 mijl).

Een echo is een fenomeen dat verband houdt met het gevoel van tijdvertragingen tussen twee voorvallen. Een mens kan vaak een tijdelijke vertraging detecteren tussen het genereren van een geluid en de komst van de reflectie van een verre barrière van dat geluid. Misschien heb je een echo gehoord van je geschreeuw tegen een verre kloofmuur als je ooit een schreeuw hebt gemaakt in een canyon. De tijd tussen de schreeuw en de echo komt overeen met de tijd die nodig is om de terugreis afstand van de canyonmuur naar de andere kant af te leggen. Een persoon kan de eenrichtingsafstand tot de canyonmuur schatten door deze tijd te meten. Als u bijvoorbeeld 1,40 seconden na het schreeuwen een echo hoort, kunt u de afstand tot de canyonmuur als volgt berekenen:

afstand = v • t = 345 m/s • 0.70 s = 242 m

De afstand tussen jou en de canyonmuur is 242 meter. Je hebt misschien gemerkt dat de vergelijking een tijd van 0,70 seconden gebruikt. De eenrichtingsafstand tot de canyonmuur komt overeen met de helft van de tijdvertraging, omdat de vertraging betrekking heeft op de tijd die het geluid kost om de retourafstand naar de canyonmuur en terug te reizen.

Hoewel een echo van geringe waarde is voor mensen, is echolocatie een cruciale vaardigheid voor vleermuizen. Vleermuizen moeten geluidsgolven gebruiken om te reizen en te jagen, aangezien het nachtdieren zijn. Ze zenden korte uitbarstingen van ultrasone geluidsgolven uit die nabijgelegen objecten weerkaatsen en er naar terugkeren. Het vermogen van een vleermuis om de vertraging tussen het verzenden en ontvangen van pulsen te onderscheiden, helpt hem om de afstand tot objecten in de buurt in te schatten. Sommige vleermuizen, bekend als Doppler-vleermuizen, kunnen de snelheid en richting van bewegende objecten bepalen door variaties in de frequentie van gereflecteerde pulsen te observeren. De fysica van het Doppler-effect, dat in een vorige les werd behandeld, wordt door deze vleermuizen gebruikt. Een vleermuis kan verkennen en jagen met behulp van deze echolocatietechniek.

De Wave Equation herzien

Een geluidsgolf heeft, net als elke andere golf, een snelheid die wiskundig evenredig is met de frequentie en golflengte. Het wiskundige verband tussen snelheid, frequentie en golflengte wordt beschreven door de onderstaande vergelijking, zoals besproken in een vorige sectie.

Snelheid = Wavelength • Frequency
Met behulp van de symbolen v, λ en f kan de vergelijking worden herschreven als

v = f • λ
De bovenstaande vergelijking kan worden gebruikt om wiskundige problemen op te lossen met betrekking tot de verbinding tussen snelheid, frequentie en golflengte. De vergelijking kan echter één belangrijk misverstand overbrengen. De golfsnelheid is niet afhankelijk van de frequentie of golflengte, ondanks het feit dat ze worden gebruikt om deze te berekenen. Een verandering in golflengte heeft geen effect op (of verandering in) golfsnelheid. Een verandering in golflengte heeft eerder het tegenovergestelde effect op de frequentie. De frequentie wordt gehalveerd wanneer de golflengte wordt verdubbeld, maar de golfsnelheid blijft hetzelfde. De snelheid van een geluidsgolf wordt bepaald door de kwaliteiten van het medium waardoor het beweegt, en de enige methode om de snelheid aan te passen, is het veranderen van de eigenschappen van het medium.

#snelheid
#geluid
#golflengte