ความเร็วของเสียงคืออะไรและหาได้อย่างไร?

เป็นเวลาหลายปีที่นักปรัชญาถามว่า 'ถ้าต้นไม้ล้มในป่าแล้วไม่มีใครได้ยิน มันจะส่งเสียงไหม' นักวิทยาศาสตร์ตอบคำถามนั้นและคิดต่อไปว่าเสียงนั้นเดินทางได้เร็วแค่ไหน การคำนวณความเร็วนั้นไม่ง่ายอย่างที่คิด ความเร็วของเสียงไม่คงที่ไม่เหมือนกับความเร็วแสง และตัวแปรต่างๆ จะเปลี่ยนความเร็วในการเดินทาง นักวิทยาศาสตร์ได้พากเพียรและตอนนี้ก็เข้าใจว่าเสียงทำงานอย่างไร ไม่ว่าจะเป็นเสียงของนักร้องเสียงโซปราโนหรือต้นไม้ที่ตกลงมาที่พื้น

เสียงคืออะไร?

เสียงคือพลังงานที่เกิดจากการสั่นสะเทือน เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน จะทำให้อนุภาครอบๆ ตัวสั่นสะเทือน ซึ่งจะทำให้อนุภาคสั่นสะเทือนมากขึ้น นี่คือคลื่นเสียง ตัวอย่างเช่น หากต้นไม้ล้มลงกับพื้น การสั่นสะเทือนที่เกิดจากการตกลงมาของต้นไม้จะทำให้เกิดคลื่นเสียง คลื่นเสียงจะดำเนินต่อไปจนกว่าพลังงานจะหมด และหากมีหูอยู่ในระยะของคลื่น ก็สามารถได้ยินได้อย่างแท้จริง

ซีซั่น 4 เทรลเลอร์ Stranger Things

ความเร็วของเสียงคืออะไร?

เมื่อพูดถึงความเร็วของเสียง คนส่วนใหญ่หมายถึงความเร็วของคลื่นเสียงที่เดินทางผ่านอากาศ ที่อุณหภูมิ 68 องศาฟาเรนไฮต์ ในสภาพแวดล้อมที่แห้ง ความเร็วของเสียงจะอยู่ที่ประมาณ 767 ไมล์ต่อชั่วโมง ความเร็วเปลี่ยนแปลงในอุณหภูมิที่แตกต่างกันและยังแตกต่างกันไปตามก๊าซที่มีอยู่ในอากาศ

กฎแห่งเครื่องสาย

ในศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตกาล นักปรัชญา นักคณิตศาสตร์ และนักพิณพิณพีธากอรัส ใช้เวลาศึกษาวิธีการทำงานของเสียง ในตำนานเล่าว่างานด้านเสียงของเขาได้รับแรงบันดาลใจจากการได้เห็นวิธีที่ค้อนขนาดต่างๆ สร้างโทนเสียงต่างๆ ในร้านของช่างตีเหล็ก มีโอกาสมากกว่าที่การทดลองความยาวของสายพิณของเขาเป็นแรงบันดาลใจให้ค้นพบว่าความถี่นั้นแปรผกผันกับความยาวของสตริง เป็นที่รู้จักกันในชื่อกฎข้อที่หนึ่งและเป็นงานแรกที่บันทึกไว้เกี่ยวกับคลื่นเสียง

เซอร์ ไอแซก นิวตัน

เซอร์ไอแซก นิวตันเป็นคนแรกที่เผยแพร่ความเร็วของเสียง นิวตันปรบมือขณะยืนอยู่บนแนวระเบียงในวิทยาลัยทรินิตี และวัดว่าต้องใช้เวลานานแค่ไหนกว่าเสียงจะก้องกลับไปที่หูของเขา หากไม่มีเครื่องมือวัดที่ทันสมัย ​​เขาใช้ลูกตุ้มในการวัดเวลา ตัวเลขของเขาซึ่งตีพิมพ์ใน Principia Mathematica ลดลงประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ สูตรของนิวตันได้รับการพัฒนาโดยปิแอร์-ไซมอน ลาปลาซ และเป็นที่รู้จักกันในชื่อสมการนิวตัน-ลาปลาซ

การวัดความเร็วของเสียงด้วยกระสุนปืน

ในช่วงต้นทศวรรษ 1700 สาธุคุณวิลเลียม เดอรัมได้ทำการทดลองเพื่อวัดความเร็วของเสียง ขณะที่เขายืนอยู่บนหอคอยที่มีกล้องดูดาว ผู้ช่วยก็ยิงปืนใส่สถานที่สำคัญในท้องถิ่นหลายแห่ง เดอรัมสังเกตแสงแฟลชของกระสุนปืนและใช้ลูกตุ้มเพื่อวัดระยะเวลาที่เขาได้ยินเสียง เนื่องจากเขาทราบระยะทางที่เกี่ยวข้อง จึงสามารถคำนวณความเร็วของเสียงได้และถือเป็นการประมาณการที่แม่นยำและสมเหตุสมผลเร็วที่สุด

การวัดความเร็วของเสียงด้วย Kundt's Tube

August Kundt เป็นผู้ประดิษฐ์หลอดของ Kundt ในปี 1866 เครื่องมือนี้ประกอบด้วยหลอดโปร่งใสที่มีผงละเอียดจำนวนเล็กน้อย เมื่อเสียงถูกสร้างขึ้นที่ปลายด้านหนึ่งของท่อ ผงจะถูกเคลื่อนย้ายโดยคลื่นเสียง โดยจะตกตะกอนตามช่วงเวลาที่เว้นระยะเท่ากันในหลอด ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น การวัดระยะห่างระหว่างกองผงช่วยให้สามารถคำนวณความเร็วของเสียงได้ การเติมก๊าซต่างๆ ลงในท่อของ Kundt ทำให้สามารถวัดความเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆ ได้

การวัดความเร็วของเสียงด้วยไมโครโฟน

วิธีที่ง่ายที่สุดในการวัดความเร็วของเสียงในปัจจุบันคือการใช้ไมโครโฟนสองตัว แนวคิดพื้นฐานเหมือนกับปืนลูกซองของ Durham แต่นาฬิกาจับเวลาและอุปกรณ์บันทึกที่รวดเร็วช่วยให้ระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดเสียงกับอุปกรณ์วัดสั้นลง เสียงยังเบากว่าเสียงปืนลูกซอง

ผลกระทบของระดับความสูง

อุณหภูมิมีผลมากที่สุดต่อความเร็วของเสียง ในก๊าซในอุดมคติใดๆ ที่มีองค์ประกอบคงที่ ความเร็วของเสียงจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว เสียงจะช้าลงเมื่ออุณหภูมิลดลง ซึ่งหมายความว่าคลื่นเสียงจะเคลื่อนที่ช้าลงที่ระดับความสูงที่สูงขึ้น นี่คือเหตุผลที่วัดความเร็วทั่วไปของเสียงที่ระดับน้ำทะเลและขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เฉพาะเจาะจง

ความหมายกุหลาบพีช

เสียงในสารต่างๆ

เนื่องจากเสียงเกิดจากการสั่นของอนุภาค จึงต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ ซึ่งหมายความว่าไม่มีเสียงในสุญญากาศ แต่ยังหมายความว่าเสียงสามารถเคลื่อนที่ผ่านสารอื่นที่ไม่ใช่อากาศได้ อันที่จริง เสียงเคลื่อนที่ช้าที่สุดผ่านก๊าซ มันเคลื่อนที่เร็วกว่าสี่เท่าในน้ำและเร็วกว่า 15 เท่าในเหล็ก

ทำลายกำแพงเสียง

แม้ว่าวิศวกรการบินในยุคแรกๆ จะเชื่อว่าความเร็วของเสียงเป็นสิ่งกีดขวางที่ไม่อาจข้ามผ่านได้ แต่วัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นได้ทำลายมันลงเมื่อหลายศตวรรษก่อน รอยแตกที่ได้ยินจากแส้แส้นั้นเป็นเสียงบูม และแม้แต่กระสุนนัดแรกก็ยังเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วของเสียง ชัค เยเกอร์กลายเป็นบุคคลแรกที่บินได้เร็วกว่าเสียงในเที่ยวบินระดับเดียวกันในปี 1947 ในปี 2555 เฟลิกซ์ เบาม์การ์ตเนอร์กลายเป็นบุคคลแรกที่เดินทางได้เร็วกว่าเสียงโดยปราศจากยานพาหนะเมื่อเขาโดดร่มจากความสูง 120,000 ฟุต