Скорость звука в воде: от чего зависит, как определить, формула

Первые задокументированные свидетельства о звуке встречаются у античных авторов. Аристотель знал, что скорость его распространения конечная. Попытки измерить её делались многократно. Согласно документам, измерить скорость звука удалось лишь в XVII веке – спустя два тысячелетия после подробного описания явления Эвклидом и Птолемеем. Рассмотрим, какова скорость звука в воде в км/ч и м/с. Расскажем, что влияет на эту величину, как её измерить.

Что такое скорость звука, от чего зависит

Скоростью звука называется расстояние, которое за единицу времени – секунду, преодолевает упругая механическая волна в среде за счёт продольного, поперечного и сдвигового перемещения. Она зависит от плотности и упругости среды, где механическая волна распространяется. Быстрее всего она передвигается в твёрдых телах (металлы), в жидкостях – медленнее, наименьшая скорость распространения упругих волн наблюдается в разреженных газах.

Обычно величина не зависит от частоты волны, однако встречаются случаи, когда фазовая скорость волны определяется её частотой. Тогда вводят понятия дисперсии звука и групповой скорости его распространения. Она зависит от давления и отличается для каждой точки вещества, что наблюдается при неравномерном нагреве или охлаждении жидкости.

Во льду упругие волны расходятся почти втрое больше. При температуре 0 °C она достигает 3980 м/с или 14300 км/ч.

Скорость звука в воде: сколько это км/ч

В воздухе упругая волна преодолевает приблизительно 331 м/с или 1191 км/ч при нормальных условиях:

• Температура – 0 °C.
• Давление – 1 атмосфера.

При росте давления, повышении или понижении температуры показатель растёт.

В воде звук распространяется быстрее — со скоростью ~1400 м/с, что равняется 5040 км/ч.

При условиях, которые отклоняются от нормальных, величина определяется по формуле (для однородной жидкости):

с = \sqrt { \frac { k } { ρ } }, где:

• k – значение модуля всестороннего сжатия или коэффициент сопротивления всестороннему (объёмному) сжатию. Показывает, какое давление нужно приложить к воде для уменьшения её объёма на 1%. Равняется 2000 МПа.
• ρ – плотность жидкости, для воды принимается за 1000 кг/м³.

Вторая формула выводится из первой при условии использования коэффициента сжимаемости вещества, он обратно пропорционален модулю объёмного сжатия:

k = 1/x.

После подстановки получим:

k = \sqrt { \frac { 1 } { ρ } }.

Вторая формула проще: c = { \frac { λ } { T } } = λυ, здесь:

• λ – длина волны в среде;
• υ и T – её частота и период колебаний соответственно. 

Задача

Определите скорость распространения звука в воде, если она колеблется с периодом 0,002, возбуждая при этом метровые волны длиной ~2,81 м. Выразите её в км/ч.

c =  \frac { λ } { T }  = \frac {  2,81  } { 0,002  } = 1405 м/с.

Для перевода км/ч в м/с умножим значение на 3,6: 1405 * 3,6 = 5 058 км/ч.

Ответ: 5 058 км/ч.