Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Безусловно, если имеется ветер, то волны сжатия будут ускорены вперед движением воздуха или, наоборот, замедлены в зависимости от направления ветра. Однако это можно учесть, если сначала расположить орудие на одном холме, а затем наоборот. Таким образом, независимо от направления ветра мы можем исключить его влияние, взяв среднее значение из этих величин, то есть полученная величина (из-за взаимного исключения скоростей) и даст нам скорость звука в стоячем воздухе.

В настоящее время общепринятая скорость воздуха при нормальной температуре (скажем, 20 °С, или, что является эквивалентным, 68 °F)[52] равна 344 метрам в секунду (или 1130 футов в секунду, или 758 миль в час). При изменении температуры эта скорость также немного изменяется. В холодный зимний день она может опуститься до 330 метров в секунду, в то время как в жаркий летний день она может подняться до 355 метров в секунду.

Разница температур оказывает достаточно важный эффект на скорость звука. В течение дня верхние слои атмосферы в целом более холодные, чем воздух вблизи поверхности Земли. Поскольку направленная вверх часть пучка звуковых волн проникает в холодную стратосферу, она замедляется; эффектом этого является то, что весь пучок отклоняется вверх. (Представьте себе, что вы идете, а кто-то захватывает вашу левую руку, замедляя эту часть вашего тела, при этом вы автоматически измените направление своего движения — влево.) Ночью ситуация обратная, поскольку верхние слои становятся теплее низких: верхняя часть пучка звуковых волн ускоряется, и весь пучок изменяет направление — отклоняется вниз. По этой причине ночью звук обычно можно услышать более ясно и на большем расстоянии, чем днем.

Однако если мы ограничимся комнатной температурой, то мы можем записать уравнение 12.1 в виде:

λ = 344/ν. (Уравнение 12.2)

До недавнего времени скорость звука намного превосходила скорость любого транспортного средства, сделанного человеком, поэтому она не имела никакого практического применения. Однако с изобретением самолета и с постоянным увеличением скоростей, на которые он был рассчитан, важность скорости звука возросла, причем по причинам, напрямую не связанным со скоростью сообщения.

Скорость, с которой сжатая область восстанавливает себя до нормального состояния и сжимает следующую область, определяется скоростью естественного восстановления молекул после упругой деформации (сжатия); таким образом, именно эта скорость восстановления и определяет скорость звука. Также эта скорость определяет способность воздуха «уйти с пути» летящего на него самолета. По мере того как скорость самолета приближается к скорости звука, его скорость приближается к той, с которой молекулы воздуха могут «отступать». Самолет начинает «догонять» «отступающие» молекулы воздуха и по мере дальнейшего возрастания скорости все больше и больше настигает их. Такой самолет постоянно как бы сжимает воздух перед собой (или, по крайней мере, пока поддерживает данную скорость движения) по причине того, что воздух не может «уйти с его пути». Этот объем сжатого воздуха, находящийся перед самолетом, оказывает огромное влияние на структуру материала, из которого самолет сделан; одно время, в 1940-х годах, даже возникло мнение, что при достижении скорости звука самолет распадется. Появление понятия «звуковой барьер» обязано собой именно этому факту, как если бы скорость звука представляла собой стену, через которую самолет не сможет прорваться.

Отношение скорости движения объекта к скорости звука в среде, в которой перемещается объект, называется «числом Маха», названным так в честь австрийского физика Эрнста Маха (1838–1916), который в конце XIX столетия первым исследовал теоретические последствия движений на таких скоростях. Тело, двигающееся со скоростью звука, перемещается «со скоростью в один мах», со скоростью в две скорости звука — «в два маха» и так далее. Число Маха не представляет собой определенной скорости, оно зависит от природы, температуры и плотности среды, через которую перемещается объект. Для обычного воздуха при комнатной температуре один мах равен 344 метра в секунду, или 758 милям в час.

По мере улучшения конструкций самолетов они смогли противостоять все большим напряжениям на высоких скоростях, и 14 октября 1947 года специально подготовленный самолет «пробил звуковой барьер», двигаясь со скоростью более одного маха.

С тех пор были достигнуты скорости в три маха и больше. (Можно сказать, что астронавт, летящий над Землей со скоростью пять миль в секунду, двигается со скоростью 25 махов, если использовать сравнение со скоростью в воздушной среде. Однако астронавт перемещается сквозь вакуум, а вакуум в значительной мере не передает звук, поэтому число Маха в действительности к такому движению неприменимо.)

Самолет, двигающийся со «сверхзвуковой» скоростью (скоростью более одного маха), несет звуковые волны за собой, если так можно выразиться, так как он перемещается быстрее, чем они. Объемы сжатия соединяются, и вместо плавного нарастания от сжатия до разрежения и обратно, как в обычных звуковых волнах, возникает резкая граница разделения между объемом сильных сжатий и окружающей нормальной атмосферой. Эти сильные потоки сжатия, направленные назад в виде конуса, угол которого зависит от числа Маха, и называются «ударной волной». Подобные потоки ударной волны возникают также от летящих пуль, или, например, от зигзага молнии, или других движений, которые энергично расширяют воздух при скоростях больше чем один мах. (Кстати, ударная волна — пример непериодической формы волны.)

Однако если самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, замедлится или изменит направление, ударная волна превратится в обычные звуковые колебания, переносящие при этом объемы необычно сильного сжатия и разрежения. В этой серии колебаний звуковые волны расширяются и ослабляются по мере того, как они распространяются, но если они начинаются довольно близко от земли или, случается, направлены вниз, то они ударят в землю со значительной силой, произведя эффект, известный как «акустический удар».

Гром, который производит молния, — один из примеров звукового удара, «щелчок» пастушеского кнута тоже представляет собой миниатюрный звуковой удар, так как было установлено, что у правильно сделанного кнута кончик перемещается со скоростью выше скорости звука.

Обычно, когда мы говорим о скорости звука, мы подразумеваем скорость его распространения сквозь воздух. Однако звуковые колебания распространяются сквозь любое материальное тело, и скорость их распространения изменяется в зависимости от природы этого тела. Межмолекулярные силы в жидкостях и твердых телах гораздо более сильные, чем в газах, а значит, восстановление их после сжатия происходит гораздо быстрее. Следовательно, звук распространяется в жидкостях и твердых телах с гораздо большей скоростью, чем в любом газе, и чем более твердой материей обладает тело (и, следовательно, с чем более сильными межмолекулярными силами), с тем большей скоростью звук распространяется сквозь него. В воде звуковые колебания распространяются со скоростью 1450 метров в секунду (3240 миль в час), а в металле — со скоростью приблизительно 5000 метров в секунду (или 11 200 миль в час).