Почему звук не распространяется в вакууме кратко
Обновлено: 05.07.2024
Для распространения звука, очевидно, нужна материальная среда, поддерживающая эти колебания. В вакууме звук распространяться не может просто потому, что ее там нет. Однако, как выяснилось совсем недавно, звуковые колебания могут перескакивать из одного тела в другое через вакуумный зазор субмикронной толщины.
там нечему колебаться
Звук в привычном нам понимании это колебания какого-то вещества, а в вакууме никакого вещества нет
Ой. Ещё один стереотипномыслящий. Вакуум-не пустой, на самом деле. Расширь своё сознание! ". даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр"-Wikipedia.Также, привет тебе, и твоим коллегам, передаёт квантовая теория поля, которая также утверждает, что вакуум-не абсолютно пустой, а в нём существуют "виртуальные частицы".
僕の 子猫 Оракул (52459) Евгений Чащин, Я так и знал что кто-то это напишет, хотел добавить в своем комменте про это, но не стал. Все понимают, что в вопросе идет речь о полном вакууме который полностью пустой
Для распространения звука нужна сплошная среда, состоящая из частиц имеющих массу. Это может быть, например, среда из атомов и молекул. То есть газ, жидкость и твердое тело. А вакуум не заполнен ни газом, ни жидкостью, ни твердым телом.
Рис. 1. Туннелирование фононов через вакуумный зазор. Набегающая слева звуковая волна создает на поверхности переменные электрические поля, которые порождают синхронные колебания атомов во втором теле, справа. Изображение из обсуждаемой статьи Phys.Rev.Lett.105, 125501
Рис. 2. Аномально сильный теплообмен между самым последним атомом на острие иглы сканирующего туннельного микроскопа и подложкой. Атом наводит на подложке заряд, который отслеживает тепловое дрожание атома и порождает фононы на подложке, отбирая при этом энергию у атома. Изображение из обсуждаемой статьи Phys.Rev.Lett.105, 166101
По-видимому, для прикладных задач новый эффект будет интересен именно с точки зрения теплопередачи, которая в определенных ситуациях может идти намного эффективнее, чем считалось ранее. Это наблюдение будет очень важным при проектировании микромеханических устройств и при изучении теплопроводности поликристаллических образцов пьезоэлектриков. Кроме того, в микроустройствах, совмещающих пьезоэлектрические и металлические компоненты, в игру могут включиться и электроны. Все открывающиеся при этом перспективы для быстрой передачи энергии между электронами и фононами из одного вещества в другое через вакуум еще только предстоит изучить.
Источники:
1) Mika Prunnila, Johanna Meltaus. Acoustic Phonon Tunneling and Heat Transport due to Evanescent Electric Fields // Phys. Rev. Lett. 105, 125501 (14 September 2010); текст статьи находится в свободном доступе в архиве е-принтов под номером arXiv:1003.1408.
2) Igor Altfeder, Andrey A. Voevodin, Ajit K. Roy. Vacuum Phonon Tunneling // Phys. Rev. Lett. 105, 166101 (11 October 2010).
Наше ухо постоянно слышит различные звуки. Чаще всего звук распространяется по воздуху, но может распространяться и в других средах. Эти среды называют упругими.
Если между ухом и источником звука удалить звукопередающую среду, то мы ничего не услышим. Это означает, что для передачи звука на расстояние необходима звукопередающая среда.
Чтобы изолировать источник звука (будильник) от звукопередающей среды (воздуха), поместим его в установку, где сможем откачать воздух (рис. \(1\)).
Для чистоты эксперимента послушаем будильник в воздушной среде под колоколом воздушного насоса. Звук слышен очень хорошо. Постепенно начнём откачивать воздух. Громкость звука уменьшается. При достижении вакуума под колоколом звук перестаёт передаваться — будильник не слышно. Этим экспериментом мы подтвердили утверждение о том, что в отсутствие упругой среды звук не передаётся.
Звуковые волны распространяются в упругой среде. Чем больше плотность вещества, тем лучше оно проводит звук.
Проведём эксперимент с доской из древесины (рис. \(2\)). Сможем ли мы расслышать тиканье часов на расстоянии, приложив ухо к одному концу доски, а к другому - наручные часы? Звук хорошо передаётся по доске.
Если подвесить металлическую ложку на верёвочке (рис. \(3\)) и привязать другой конец к пальцам, то вибрация будет им передаваться. Проволока из металла будет лучше проводить звук.
Тела с низкой плотностью, не обладающие упругостью, содержащие звукоизолирующие слои (например, прослойку воздуха) проводят звук в меньшей степени. Например, пробка, поролон, вата.
Чтобы изолировать помещение от посторонних или ненужных звуков, необходимо облицевать потолок, стены и даже пол различными звукопоглощающими материалами. Для этих целей используют минеральную, базальтовую или хлопковую вату, а также газостекло, пенобетон, вспененный полиуретан и меламин и др. Все эти материалы в порах содержат воздух, что и способствует поглощению звука.
звук может распространяться в любой среде (твёрдой, жидкой и газообразной), где есть молекулы. И не может распространяться там, где молекул нет, т.е. в вакууме.
Колебания источника звука создают в окружающей среде волну звуковой частоты, которая является упругой волной.
- Волна, достигая наружного уха, воздействует на барабанную перепонку, что заставляет её колебаться с точно такой же частотой, с какой колеблется источник звука.
- Колебания барабанной перепонки передаются на слуховые косточки в среднем ухе, далее — во внутреннее ухо.
- Во внутреннем ухе колебания воздействуют на улитку, в которой есть волосковые клетки, которые преобразуют механические колебания в электрические нервные импульсы.
- Слуховой нерв передаёт электрические нервные импульсы от улитки в головной мозг.
- Мозг анализирует сигналы: распознаёт, сравнивает, интерпретирует.
В газах и жидкостях могут существовать только продольные упругие волны. Поэтому звук в воздухе передаётся продольными волнами, то есть чередующимися сгущениями и разрежениями воздуха, идущими от источника звука.
Наблюдая за стрельбой из оружия (например, из пушки), мы сначала видим вспышку и только потом (через некоторое время) слышим звук выстрела.
Измерив промежуток времени \(t\) между моментом появления вспышки и моментом, когда звук доходит до уха, а также расстояние между источником звука и наблюдателем, можно определить скорость распространения звука по формуле:
По опытным данным, при нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха \(0\) °С скорость звука составляет \(332\) м/с.
Например, при \(20\) °С скорость звука в воздухе равна \(343\) м/с, при \(60\) °С — \(366\) м/с, при \(100\) °С — \(387\) м/с.
При повышении температуры среды увеличивается скорость движения молекул (или атомов) среды, что повышает интенсивность взаимодействия частиц среды. Значит, увеличивается передача энергии колебательного движения.
На скорость распространения звука оказывает влияние среда, в которой распространяется звук. Это связано не только с плотностью среды, но и расположением частиц этой среды относительно друг друга.
При температуре \(0\) °С скорость звука в водороде равна \(1284\) м/с, а в углекислом газе — \(259\) м/с. Это различие связано с массой молекул газов, в которых распространяется звук. Масса молекул водорода меньше массы молекул углекислого газа.
Для измерения скорости звука существуют специальные устройства, принцип действия которых связан с определением времени, за которое звук проходит определенное расстояние.
Плотности жидкостей и твёрдых тел значительно больше плотностей газов. Поэтому молекулы в этих средах находятся значительно ближе друг к другу, а следовательно, взаимодействие между ними более сильное. Это способствует более быстрому распространению звука.
В вестернах часто встречается персонаж-индеец, который, приложив ухо к земле, может определить, как далеко находятся его противники. Он слышит вибрацию земли, вызванную копытами лошадей. Подобным образом мы производим и воспринимаем звуки, совершая и принимая колебания молекул воздуха.
В физике звук — это вибрация. Эта вибрация распространяется как механическая волна (также акустическая волна) в среде. Такой средой является, например, воздух. Но вы, вероятно, также слышали звуки под водой или сквозь стены. Звуковые волны в воздухе возникают из-за колебаний давления и плотности.
Рис. 1. Человек издает звуковые волны
Что такое звук (звуковая волна)?
Какое-то событие, например, произнесение слов, заставляет воздух вибрировать. Затем это возбуждение распространяется в виде волнового движения. Помимо воздуха, возбуждаться могут и другие упругие среды, например, вода.
Итак, звук — это колебательное двuжение частиц упругой среды, которое распространяется от источника звука в виде волн в различных средах.
Можно дать и другое определение:
Звук — это механическая волна, распространяющаяся в пространстве из-за изменения давления и плотности воздуха.
Необходимым условием распространения звуковых волн является наличие упругой среды. Если вокруг источника звука нет упругой среды, то звук распространяться не будет. Например, в вакууме механические волны не могут распространяться.
Скорость звука
Звуковая волна, как и любые другие механические волны , распространяется в пространстве не мгновенно, а с определённой скоростью. Скорость распространения звука в различных средах имеет различные значения.
Скорость звука в значительной степени зависит от среды, ее температуры и давления. В сухом воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет 1236 км/ч (343,2 м/с метров в секунду). В следующей таблице приведены некоторые справочные значения скорости звука в различных средах.
| Среда | Скорость в м/с |
| Воздух | 343 |
| Водяной пар (при 100 °C) | 477 |
| Вода | 1484 |
| Вода (при 0 °C) | 1407 |
| Морская вода | 1500 |
В нашей статье о скорости звука мы объяснили, как быстро распространяется звук в различных веществах. Здесь важную роль играют свойства твердых тел, жидкостей или газов.
Свойства и характеристики звука
Поскольку звук — это механическая волна, он также обладает свойствами волны, такими как частота и интенсивность. Однако среда, через которую она передается, также придает ей свои свойства.
Здесь мы рассмотрим общие свойства звука в воздухе. Как правило, их можно переносить и на другие газы и жидкости. Волны в воздухе или других газах также называются продольными волнами. Они колеблются в направлении распространения волны. Напротив, существуют поперечные волны, которые возникают, например, в некоторых твердых телах. Их колебания перпендикулярны направлению распространения.
Как возникает звук?
Звук создается источниками звука. Источник звука — это все, что заставляет воздух вибрировать. Таким источником звука может быть, например, бубен. Когда вы ударяете по бубну, вы деформируете его поверхность. Она имеет натяжение и ускоренно возвращается в исходное положение.
В общем случае, источниками звука являются тела, совершающие колебания с частотами звукового диапазона. Такие колебания совершают, например, голосовые связки человека. В результате мы слышим голоса людей. Если звук исходит от струнного музыкального инструмента, то источником звука служит колеблющаяся струна.
Частицы воздуха ускоряются, что приводит к изменению давления и плотности. Поскольку все пространство вокруг бубна заполнено воздухом, то это приводит к движению (распространению) атомов воздуха. Результирующая механическая волна достигает приемника звука, например, вашего слуха. Эта механическая волна является звуковой волной.
Как распространяется звук?
Звук распространяется, как уже указывалось в примере с бубном, через изменения давления и плотности. При ударе воздух сжимается в одной точке. Это увеличивает давление в этой области. Плотность увеличивается именно в этой точке, но уменьшается вокруг нее.
Но поскольку нет стенок, удерживающих сжатый воздух вместе, сжатые частицы снова отталкиваются друг от друга. При этом они сталкиваются с соседними атомами воздуха, которые заняли место атомов сжатого воздуха, и таким образом снова сталкивают их в другом месте. Это изменение давления воздуха и называется волной. Затем она передается на приемник.
Рис. 2. Распространение звуковой волны после стимуляции вилочным камертоном. Происходит сжатие и разрежение воздуха, что, в свою очередь, приводит к волновому движению до приемника.
Частота.
Как и любая волна, звуковые волны также имеют частоту. С его помощью вы разделяете звуковой спектр на различные категории.
- Инфразвук. Это низкочастотный звук, который уже не воспринимается человеческим ухом. 1 ГГц .
В таблице 2 ниже приведены примеры верхних границ частот механических колебаний, воспринимаемых органам и чувств некоторых живых организмов.
| Живые организмы | Верхняя граница частот, кГц |
| Чайки | 8 |
| Человек в возрасте 20 лет | 20 |
| Человек в возрасте 50 лет | 12 |
| Дети | 22 |
| Собаки | 60 |
| Кошки | 100 |
| Бабочки | 160 |
| Дельфины | 200 |
Интенсивность и уровень звука.
В разговорной речи уровень звука также означает громкость. Это относится к силе звука в определенном месте. Она физически измеряется как звуковое давление. Начиная от источника, уровень звука обычно уменьшается логарифмически. Для обозначения в математических формулах используется единица децибел (дБ).
Опыты показывают, что чем больше амплитуда колебаний ветвей камертона , тем громче звук. Постепенно звук ослабевает, так как свободные колебания ветвей камертона являются затухающими.
Интенсивность звука описывает мощность звука, проходящего через проницаемую для звуковой волны поверхность. Вы вычисляете это, измеряя, сколько звука проходит через самые маленькие участки этой поверхности, и интегрируя его по всей поверхности.
Различные типы звука
Как вы узнали в самом начале, звук делится на полезный и мешающий (не полезный). Это разделение можно уточнить, дополнительно вводя в качестве категорий тон, звон, шум и взрыв (удар).
Тон — это синусоидальное колебание, т.е. синусоидальный сигнал. Если вы, например, ударите по вилочному камертону, то получите один гармонический тон. Он показывает, является ли звук высоким, как у скрипки, или низким , как звук большого барабана. Физической величиной, характеризующей высоту тона, является частота колебаний звуковой волны. Звуку высокого тона соответствует большая частота колебаний. Отметим, что связь между высотой звука и частотой звуковой волны впервые установил Г. Галилей.
Рис. 3. Синусоидальный сигнал одного тона
Звон производит периодический, но несинусоидальный сигнал. Когда вы играете песню на гитаре, вы издаете такой звон.
Рис. 4. Периодический сигнал звона, например, при игре на гитаре
Шум — это непериодический и несинусоидальный сигнал. Например, шум создают машины и транспортные средства. Шумы создаются в результате накопления колебаний разных частот. Источниками шумов могут быть промышленные предприятия, бытовые приборы, различные машины. Шумы вредно влияют на здоровье человека и животных. Длительное воздействие шумов приводит к нарушению работы центральной нервной системы, вызывает головокружение, влияет на работу сердца.
Рис. 5. Сигнальная характеристика шума. Она не является ни периодической, ни синусоидальной.
В результате удара возникает сильный амплитудный максимум, который затем быстро затухает. Если вы выстрелите фейерверком в воздух или выстрелите из пистолета-пулемета, вы услышите такой удар.
Рис. 6. Сигнальная кривая взрыва (удара). Она имеет большую амплитуду в начале и быстро затухает.
Читайте также: