Кто первым измерил скорость звука

Кто первым правильно измерил скорость звука в воздухе?

Еще знаменитый древнегреческий ученый Аристотель пытался измерить скорость, с которой звук распространяется в воздухе. Он решил, что эта скорость должна сильно зависеть от высоты тона (то есть от частоты звука). Аристотель считал, что чем выше тон, тем быстрее распространяется звук. Но он ошибся. Впервые же скорость звука измерил французский философ, математик и астроном Пьер Гассенди (1592 — 1655), на Луне есть кратер его имени. В 1630-е годы Гассенди поставил специальные опыты. Было известно, что звук выстрела из пушки более низкий, чем из ружья. На некотором расстоянии от наблюдателя одновременно стреляли пушка и ружье. Звук доходил до наблюдателя одновременно. Заодно, увидев вспышку пороха, можно было определить и скорость звука. Гассенди наблюдал также, как удар языка по отдаленному колоколу виден намного раньше, чем слышен звук от него. На основании таких экспериментов Гассенди посчитал, что звук в воздухе распространяется со скоростью (в пересчете на современные меры) 449 метров в секунду. Это не такой плохой для того времени результат с учетом отсутствия секундомеров: по современным данным скорость звука в воздухе при 20°С равна 343,1 м/с.

Как измерили скорость звука

Мысль измерить скорость звука впервые пришла английскому философу Фрэнсису Бэ­кону. По его совету этим занялся француз­ский ученый Марен Марсенн. В 1630 г. он про­вел наблюдение над выстрелом из мушкета. Расстояние между наблюдателем и мушкетом было поделено на время, прошедшее между вспышкой от выстрела и долетевшим до наблю­дателя звуком. Марсенн нашел, что скорость звука равна 230 туазам в секунду, что соответ­ствует 448 м/сек.

Спустя полвека английский ученый Исаак Ньютон вычислил скорость звука теоретически, исходя из упругих свойств воздуха и за­висимости объема газа от давления, зависимости, выраженной законом Бойля—Мариотта. Эта скорость оказалась немногим более половины скорости, полученной в опыте Марсенна. Когда теория противоречит опыту, следует искать, где же ошибка. Ее начали искать и в теорети­ческих рассуждениях Ньютона, и в опыте Марсенна.

В 1738 г. французская Академия наук по­вторила измерение скорости звука. Опыт был поставлен на холме Монмартр, близ Парижа. Было установлено, что скорость звука равна 171 туазу в секунду, что соответствует 337 м/сек. Несовпадение с опытом Марсенна объяснили тем, что его измерение времени было несовершенным. Однако и результат по­вторного опыта не соответствовал теоретиче­ской формуле Ньютона.

В 1808 г. французский ученый Пуассон выяснил, что закономерность, обнаруженная Бойлем и Мариоттом (именно она была поло­жена в основу расчетов Ньютона), неприме­нима для описания, как распространяется звук в воздухе. Этот закон справедлив лишь в том случае, когда объем газа изменяется медленно — так, что сжимаемый газ отдает среде, которая его окружает, возникающее в нем тепло; или, нао­борот, так, что медленно расширяющийся газ успевает нагреваться от окружающей среды. Следовательно, постоянство температуры воз­духа (основное условие закона Бойля—Мариот­та) может быть сохранено лишь в изотермиче­ских условиях, т. е. при свободном теплообмене между сжимаемым газом и окружающей этот газ средой.

Именно этих условий и нет в звуковой волне. Теплопроводность воздуха мала, а расстояние между слоями сжатия и разрежения велико. Избыток тепла из слоя сжатия не успевает пе­рейти в слой разрежения. Давление и объем изменяются в соседних слоях без теплообмена и, следовательно, при изменяющейся темпе­ратуре. Физические процессы, происходящие без теплообмена с окружающей средой, назы­ваются адиабатическими. В адиабатическом процессе сжимаемый газ нагревается (вспом­ните, как нагревается велосипедный насос, если очень быстро накачивать шину), а рас­ширяющийся — охлаждается.

Различие между расширениями газа в изо­термических и адиабатических условиях позво­лило французскому ученому Лапласу объяснить, почему скорость звука, вычисленная по формуле Ньютона, не совпадает с результатом опыта: колебания звукового давления в воздухе про­исходят в адиабатических, а не в изотермиче­ских условиях.

В 1822 г. близ Парижа вновь были постав­лены опыты. В них участвовали ученые: Гей-Люссак, Араго, Гумбольдт и др. Результаты опыта совпали с теоретическими вычислениями Лапласа и подтвердили, что скорость зву­ка возрастает с повышением температуры. В су­хом воздухе при 0°Ц она равна 331,5 м/сек, а при 20°Ц — 344 м/сек.

При одной и той же температуре скорость звука больше в том газе, у которого меньше молекулярный вес. При 0°Ц скорость звука:

в водороде — 1284 м/сек,

в гелии — 965 м/сек,

в азоте — 334 м/сек,

в кислороде— 316 м/сек.

В воде, упругость которой больше, чем у воз­духа, звук распространяется при 20°Ц со ско­ростью 1484 м/сек. Упругость твердых тел боль­ше, чем жидкости. В алюминии, железе, стали скорость звука равна примерно 5000 м/сек.

В МИРЕ ЗВУКОВ. КАК ДОБЫВАЕТСЯ ИСТИНА.

История не сохранила имени наблюдателя, который первым заметил, что звук распространяется с меньшей скоростью, чем свет. Но известно, что первые попытки измерить скорость звука предпринимались во Франции в XVII веке. Звуковыми «генераторами» служили огнестрельные орудия (мушкеты и пушки). В 1630 году известный в то время физик и математик М. Мерсенн (1586-1648), заметив вспышку, подсчитывал удары пульса или отмечал по часам время, когда до него доносился звук выстрела. По результатам экспериментов скорость звука у него получилась равной 448 м/с.

Через пять лет, в 1635 году, другой ученый, П. Гассенди (1592-1655), по похожей методике попытался определить, есть ли разница в скорости распространения звука от более звонкого ружейного выстрела и более глухого пушечного. Оказалось, что скорость звука от его частоты не зависит.

Первую математическую формулу для расчета скорости звука предложил великий английский физик и математик И. Ньютон (1643-1727). В знаменитой работе «Математические начала натуральной философии» он на основании недавно открытого закона Бойля — Марриотта о неизменности произведения объема на давление при постоянной температуре вывел значение скорости звука как квадратного корня из отношения атмосферного давления к удельному весу (плотности) воздуха. Для нормальных условий скорость звука получалась равной 298 м/с.

Ньютон понял, что его формула некорректна после того, как сам экспериментально проверил результат. Он измерял время эха от хлопка в ладоши, стоя между двумя параллельными стенами, находивши мися на расстоянии 200 м одна от другой, и получил скорость звука около 340 м/с.

В 1738 году члены Парижской академии наук решили повторить опыт Мерсенна, выбрав для этого холм Монмартр (Холм мучеников), находившийся тогда в пригороде Парижа. Световые вспышки с возвышения видны с большего расстояния; после выстрела звуковая волна движется к наблюдателю дольше, и измерение скорости звука получается с меньшей погрешностью. При температуре 20 о С была зафиксирована скорость звука 337,3 м/с, а при температуре 0 о С скорость звука составляла 332 м/с.

В 1816 году французскому математику и астроному П. С. Лапласу (1749-1827) удалось обнаружить, в чем была ошибка Ньютона. Тот полагал, что колебания частиц в атмосфере происходят без изменения температуры (в изотермических условиях). Однако при движении звуковой волны в воздухе возникают области сжатия и разрежения, где воздух соответственно нагревается (скорость молекул возрастает) и охлаждается (скорость молекул уменьшается).

В 1822 году измерениями скорости звука занялся цвет французской науки. Члены Комиссии мер и весов и Парижской академии наук Д. Араго (1786-1853), Ж. Гей-Люссак (1778-1850), А. Гумбольдт (1769-1859) и другие, чтобы компенсировать влияние ветра на измерения, распорядились установить вблизи Парижа артиллерийские пушки на расстоянии 18 613 м, а исследователи, разбившись на две группы, дежурили у обеих. Пушки стреляли по очереди с интервалом 5 мин. Усредненное время прохождения звуковых сигналов при температуре 20 о С составило 54,6 с, что соответствовало скорости звука 340,9 м/с. Проведенные измерения подтвердили правильность теоретических выкладок Лапласа.

В ХХ веке для измерения скорости звука стала применяться электронная аппаратура. Метод измерения скорости звука прост и доступен даже радиолюбителям. Нужны два микрофона, осциллограф и усилитель низкой частоты с динамиком. Громкоговоритель и микрофоны один за другим располагают по прямой линии. На усилитель подается электрический импульс, и на осциллографе фиксируется время прохождения звукового сигнала между микрофонами.

По последним данным, скорость звука при температуре 20 о С и нормальном атмосферном давлении на уровне моря равна 344 м/с (1238 км/ч); при температуре 30 о С — 349 м/с; при 10 о С — 337 м/с; при 0 о С — 331,45 м/с; при -10 о С — 325,2 м/с.

Интересно рассмотреть распространение звука от источника, расположенного на открытой движущейся платформе. Если источник поместить посредине платформы, а два приемника на ее концах, то частота сигнала, принимаемая передним источником, будет выше, чем у излучаемого сигнала. Задний источник зафиксирует частоту ниже излучаемой. Хотя приемники неподвижны, из-за встречного потока воздуха возникает своеобразный доплеровский эффект.

Первым попытался определить частотные границы человеческого слуха французский ученый Ж. Савер (1653-1716). По его данным, опубликованным в Трудах Парижской академии наук в 1707 году, человек слышит звуки частотой от 25 до 12 800 кГц. Спустя почти 100 лет, в 1802 году, немецкий физик Э. Хладни (1756-1827) привел более точные данные и указал, что верхняя граница слышимых звуков составляет 22 000 Гц. Кстати, он же ввел в научный обиход термин «акустика» от греческого слова, означавшего «способность слышать».

Во второй половине XIX века среди врачей отоларингологов сложилось устойчивое мнение, что взрослый человек слышит звуки в частотном диапазоне 20-20 000 Гц.

Находились и исключения: известный немецкий физик и врач Г. Гельмгольц (1821-1894) сообщал о пациентах, слышавших писк с частотой 40 000 Гц. В настоящее время установлено, что звуки частотой 25-34 кГц способны слышать некоторые дети в возрасте до 7 лет.

Человеческая речь и звучание музыкальных инструментов, раскаты грома и шум моторов — все это колебания воздуха, у которых могут меняться форма, амплитуда, частота. На осциллограммах различные звуки выглядят похожими, но человеческое ухо легко узнает их источник. Дело в том, что каждый звуковой сигнал имеет свой спектр.

Немецкий физик Г. Ом (1787-1854), открывший известный закон, связывающий электрический ток, напряжение и сопротивление, в 1843 году опубликовал статью, в которой утверждал, что сложные звуки представляют собой комбинации простых (гармонических) колебаний с кратными частотами и их математически можно анализировать с помощью рядов Фурье. В 1862 году ту же мысль высказал в своей работе «Учение о слуховых ощущениях» Г. Гельмгольц.

Практическая потребность изучения спектрального состава звуков возникла в 20-х годах ХХ века, когда появились электронные усилители звуковой частоты, а также электрические микрофоны, наушники и громкоговорители. Проблема состояла в определении минимальной полосы пропускания канала, чтобы качество звучания на выходе позволяло однозначно распознать источник звука. Оказалось, что речь достаточно хорошо передается при ширине полосы пропускания до 2,5 кГц; для воспроизведения музыки была необходима полоса шириной не менее 6 кГц, поскольку основные тоны высоко звучащих инструментов (флейты или скрипки) составляют 3-5 кГц. Правда, при этом звук кажется «плоским», поскольку в нем отсутствует большая часть обертонов. И это на себе ощущали радиослушатели, когда основные трансляции шли на длинно- и средневолновом диапазонах с амплитудной модуляцией (кстати, и по сей день люди, не слишком искушенные в музыкальном искусстве, при прослушивании программ предпочитают «заваливать» область высоких частот, ограничивая полосу воспроизведения верхней границей 6 кГц). Естественного звучания музыкальных инструментов можно добиться при ширине полосы 14-20 кГц.

Сейчас звуковые спектры можно получать практически в режиме реального времени благодаря компьютерам, которым достаточно мгновения, чтобы разложить колебание произвольной формы в ряд Фурье.

Такая техника может стать хорошим подспорьем при обучении певцов и при изготовлении музыкальных инструментов, когда субъективное восприятие звука дополняется беспристрастным математическим анализом.

Если бы человеческий глаз мог воспринимать сигнал той же энергии, что и ухо, то мы видели бы свет 10-ваттной лампочки на расстоянии 100 км. Высокой чувствительности нашего органа отчасти помогает строение ушной раковины, напоминающей рупор. Она имеет не- круговую диаграмму направленности, поэтому человек лучше слышит звуки от источников, находящихся впереди на уровне головы. Звуки, идущие сверху и сзади, воспринимаются хуже, особенно в области высоких частот. Поэтому фронтальные звуковые колонки должны быть такой высоты, чтобы СЧ- и ВЧ-головки находились примерно на уровне глаз слушателя, а тыловые колонки могут быть попроще и вообще не иметь ВЧ-головок.

С возрастом острота слуха уменьшается. У пожилых людей не только растет порог слышимости, но и ухудшается восприятие высоких частот, то есть сокращается частотный диапазон.

Когда-то проверить слух можно было простым способом. В эпоху ламповых и транзисторных телевизоров аппарат вскоре после включения начинал издавать негромкий тонкий свист: это начинал работать генератор строчной развертки, частота которого составляла 15 625 Гц. Этот звук слышали не все, но, если слышали, это означало, что слух в норме.

Сейчас телевизоры работают молча, но появились другие доступные средства контроля слуха. Например, на Западе продаются специальные компакт-диски, звуковые файлы можно найти и на многих сайтах в Интернете. Разумеется, слух можно проверить в поликлиниках и специализированных аудиоцентрах. Если в хозяйстве есть обыкновенный звуковой генератор, то слух можно проверить и с его помощью.

На остроту слуха отрицательно влияет и длительное воздействие громких звуков. Например, среди работниц ткацких фабрик многие страдают профессиональной тугоухостью. Шум и грохот угнетающе действуют также на нервную систему.

Напоследок несколько курьезных советов, которые должны помочь меломанам получать полноценное удовольствие от любимых произведений благодаря тонкому и острому слуху. Оториноларинголог Н. И. Кудряшова в своей книге «Слух», изданной в 2000 году, указывает на связь слуха и состояния ног. Оказывается, слух обостряется, если ступни остаются сухими. Поэтому нужно чаще мыть ноги холодной водой и не пользоваться синтетическими и хлопчатобумажными носками, которые быстро намокают от пота. Желательно носить носки из шелка или льна, причем белые, поскольку некоторые красители в контакте с потом образуют вредные химические соединения.

Как устроен мир. Скорость звука. 343. 1453

Продолжим разговор о гармонических соотношениях в окружающем нас мире.

В предыдущих статьях под заголовком «Как устроен мир» мы узнали, что многие физические процессы прокалиброваны числами из ряда Кучина, который десятичным образом связан с числами ряда Фибоначчи (см. статью Пирамида чисел Фибоначчи – Кучина. Лестница к Солнцу.)

Поговорим о звуке, вернее о скорости звука. Мы живем в мире, где звук в основном приходит к нам по воздуху. В редком случае нам доводится услышать звуки, распространяющиеся в воде, еще реже в твердых телах. Но эти сведения весьма важны для гидроакустики — и военной и гражданской, сейсмологии, геологии.

Измерение скорости звука производили многие ученые 16-18 веков. Более того, появилась отдельная наука – акустика, которая затем раздробилась на ряд самостоятельных дисциплин – акустика воздушной среды, акустика моря,и т.д.

Проблема всех современных наук – и их одновременное достижение – все более и более сложный математический аппарат, в результате за эти лесом формул и экспериментов надежно укрылась та «поляна», на которой спокойно проживает простая истина.

Попробуем преодолеть этот математический лабиринт – и обратимся к иллюстрации.

На рис. 1 показана цитата из книги академика Папалекси «Курс физики», 1948 год (академик умер в 1947 – это посмертное издание). Папалекси справедливо пишет, что первым правильную формулу для скорости звука в среде дал Лаплас. Скорость звука при 0 градусов Цельсия и давлении 760 мм. рт. ст. у Папалекси по формуле Лапласа оказалась равной 332 м/сек. Запомним этот результат.

Обратимся к рис. 2 – это таблица из современного справочника «Акустика» под ред. Сапожкова, Москва, «Радио и связь», 1989.

Для воздуха при 0 градусов Цельсия скорость звука оказывается равна 331 м/сек, что несущественно отличается от данных Папалекси.

А далее сюрприз!

ДЛЯ ВОЗДУХА ПРИ 20 ГРАДУСАХ ЦЕЛЬСИЯ СКОРОСТЬ ЗВУКА ОКАЗЫВАЕТСЯ РАВНОЙ ТОЧНО 343 М/СЕК!

Напоминаю – 343 – число из ряда Кучина.

Пропускаем строчку для Гелия в таблице (эта строчка очень любопытна — звук в гелии распространяется очень быстро — это связано с тем, что он не образует двухатомных молекул) и обнаруживаем, что для воды пресной скорость звука равна 1430 м/сек, для воды с соленостью в 3,5% – 1500 м/сек.

Это означает, что в слабосоленой воде, например в устье Дона на Азовском море и в устье Невы на Балтийском море СКОРОСТЬ ЗВУКА В ВОДЕ ОЧЕНЬ БЛИЗКА К 1453 М/СЕК – ЧИСЛУ ИЗ РЯДА КУЧИНА.

Вот такие удивительные результаты.

Много занимался акустикой великий физик австриец Мах. На рис. 3 приведена фотография полета пули, сделанная Махом после 1886 и приведенная в его «Популярных лекциях по физике». Мах стрелял из специально сделанного австрийского ружья Манлихер, у которого скорость пули превышала скорость звука в воздухе. Величину скорости звука Мах определял, как 340 м/сек, вероятно он проводил опыты на высотах 200-300 метров над уровнем моря. Опыты Маха со стрельбой из ружья привели его к большому открытию – при превышении пулей скорости звука меняется динамика ее полета – образуется ударная волна. На фотографии она представляет собой параболу воздушной волны идущую перед пулей.

Через 60 лет, после открытия Маха, ударная звуковая волна создала множество проблем для конструкторов самолетов с реактивными двигателями.

Мах писал, что ударная волна образуется на скорости 340 м/сек, в настоящее время принято считать для авиации, что образование ударной волны и преодоление звукового барьера самолет у земли в среднем выполняет при скоростях звука чуть выше – т.е. 343-344 м/сек.

Соответственно скорости современных самолетов считают в числах Маха. Если самолет летит на бреющем полете со скоростью М=2,0 – это означает, что он летит на скорости (343-344) х 2 = 686 – 688 м/сек.

1. скорость звука в воздухе в нормальных условиях равна 343 м/сек – т.е. точно равна числу из ряда Кучина.
2. скорость звука в воде при малой солености может быть весьма близка к 1450-1460 м/сек, т.е. к числу 1453 из ряда Кучина.
3. физика полета в воздушной среде изменяется на границе скоростей равных скорости звука – для нормальных условий это около 343-344 м/сек – практически на рубеже числа 343 из ряда Кучина.

Простые численные соотношения известны человечеству давно.
Но Ваши числа не простые и, тем не менее, вопрос: эти простые соотношения изначально существуют в Природе или мы упрощаем, чтобы понимать, или это просто забава?

Соотношения о которых я пишу — это вовсе не забава. Дело в том, что ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ или ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЕ закономерности — они вполне объяснимы некими целесообразностями, но я показываю ПРЯМЫЕ АБСОЛЮТНЫЕ ПОПАДАНИЯ многих законов природы в числа ряда Кучина. Именно не числа ряда Кучина составлены из этих законов, а законы их содержат. У меня есть объяснение этому — вполне научное, но оно не такое простое, чтобы его помещать в комментарии. К тому же это гипотеза, а я стараюсь оперировать фактами. Спасибо за интерес к публикации.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

© Все права принадлежат авторам, 2000-2022. Портал работает под эгидой Российского союза писателей. 18+