§ 34. Скорость распространения волн

В том, что распространение механических волн происходит не мгновенно, нас убеждают простейшие наблюдения. Каждый видел, как постепенно и равномерно расширяются круги на воде или как бегут морские волны. Здесь мы непосредственно видим, что распространение колебаний из одного места в другое занимает определенное время. Но и для звуковых волк, которые в обычных условиях невидимы, легко обнаруживается то же самое. Если вдали происходит гроза, выстрел, взрыв, свисток паровоза, удар топора и т. п., то мы сначала видим эти явления и лишь спустя известное время слышим звук (рис. 63). Чем дальше от нас источник звука, тем больше запаздывание. Промежуток времени между вспышкой молнии и ударом грома может доходить иногда до нескольких десятков секунд. Зная расстояние от источника звука и, измерив запаздывание звука, можно определить скорость его распространения. В сухом воздухе при температуре  эта скорость оказалась равной . Для сравнения напомним, что современные самолеты могут развивать скорости, превышающие скорость звука в воздухе (так называемые сверхзвуковые скорости), а артиллерийские снаряды летят со скоростями  и более. Скорость ракет, выводящих на орбиту искусственные спутники Земли, должна достигать значений, превышающих .

Рис. 63. Мы видим молнию и потом слышим гром

Одно из самых ранних измерений скорости звука в воде было выполнено также по запаздыванию звука.

В 1826г. Колладон и Штурм произвели на Женевском озере следующий опыт. На одной лодке производилась вспышка пороха и одновременно молоток ударял по колоколу, опущенному в воду. На другой лодке, находившейся на расстоянии от первой, измерялось время между вспышкой и появлением звука в рупоре, также опущенном в воду. Скорость звука в воде при  оказалась равной .

Измеряя запаздывание звука по сравнению со светом, можно получить правильное значение скорости звука, очевидно, лишь в том случае, если временем распространения света можно пренебречь. В условиях обычных наблюдений это допущение вполне приемлемо, ибо, как показывают измерения, скорость распространения световых и вообще электромагнитных волн в вакууме (а практически и в воздухе) равна приблизительно .

Вспышку, произведенную на расстоянии , мы видим с запаздыванием всего на  (микросекунда — миллионная доля секунды), в то время как звук тратит на пробег этого расстояния около .

Скорость звуковых волн весьма различна для разных сред и, кроме того, зависит от температуры. Современные методы позволяют производить точные измерения скорости звука, пользуясь малыми количествами исследуемого вещества. На рис. 64 изображена диаграмма, показывающая скорость звука в некоторых веществах, причем указана температура, к которой относится приведенное значение скорости. Числа, приведенные на диаграмме, в некоторых случаях дают лишь приблизительное представление о скорости звука в материале, поскольку последняя зависит также от сорта материала (сталь, стекло) и от его очистки (керосин).

Рис. 64. Скорость звука в некоторых газах, жидкостях и твердых телах