При 20 °C звук проходит в воздухе примерно 343 метра за секунду, или 1235 км/ч. Это число можно не только прочитать в справочнике, но и проверить: хлопните перед большой стеной, запишите эхо и измерьте задержку между хлопком и отражением. Звук успеет пройти расстояние до стены дважды.
Опыт получится интереснее, если заранее записать, какой результат вы ждёте. Встаньте в 50 метрах от стены: эхо должно вернуться примерно через 0,29 секунды. Ниже разберём, как увидеть этот короткий промежуток на записи, почему в формуле появляется двойка и что делать, если вместо 343 получилось 280 или 400 м/с.
В статье вы узнаете:
Это значение относится к сухому воздуху. За одну секунду звуковая волна успевает преодолеть расстояние, сравнимое с тремя футбольными полями. За тысячную долю секунды она проходит примерно 34 сантиметра. Это очень быстро для бегуна, но достаточно медленно, чтобы заметить задержку эха на записи. Значение для 20 °C приведено в материале NASA о физике звука.
В километрах в час результат равен 343 × 3,6 = 1234,8 км/ч. Единицы легко перепутать: «343 км/ч» почти вчетверо меньше верного ориентира. Если нужен приблизительный ответ без температуры и лабораторных условий, удобно помнить около 340 м/с.
Звук не состоит из частиц воздуха, которые летят от рук к стене и обратно. Хлопок создаёт быстрое изменение давления. Воздух возле рук начинает колебаться и передаёт возмущение соседнему участку, тот следующему. Так волна приходит к стене. Большая твёрдая поверхность отражает часть энергии, и отражённая волна возвращается к микрофону как эхо.
Подойдёт длинный открытый двор или спортивная площадка с высокой глухой стеной. Между вами и стеной нужно измерить примерно 40–60 метров по прямой. При 50 м задержка будет около 0,29 с. Если отойти всего на 10 м, она уменьшится до 0,058 с: исходный звук и отражение почти сольются, а два всплеска на записи станет труднее разделить.
Нужны измеренное расстояние, телефон или другой рекордер и программа, которая показывает звуковую волну со шкалой времени. Запишите хлопки на телефон, сохраните аудиофайл и откройте его на компьютере, например в звуковом редакторе Audacity. Штатный диктофон может не давать нужного увеличения и отсчёта долей секунды. Обычный таймер на телефоне тут плохой помощник: время реакции пальца сопоставимо с самой задержкой эха. Запись сохраняет оба звука на одной временной шкале.
Выбирайте площадку с одной заметной стеной и минимумом других больших поверхностей рядом. В узком дворе эхо приходит от нескольких фасадов, а в помещении быстрые отражения смешиваются с хлопком. Не проводите опыт у проезжей части или на ограждениях и крышах ради «идеальной» стены. Для измерения подходит обычное безопасное место, где можно спокойно отойти и вернуться.
Положите телефон или держите его около точки хлопка, направьте микрофон к стене и отметьте, откуда до неё измерили расстояние. Сделайте несколько отдельных резких хлопков с паузой 1–2 секунды. Три-пять повторов лучше одной попытки: если один хлопок перекрыла машина, останутся другие. Не нужно хлопать изо всех сил у самого микрофона; перегруженная запись превращает короткий удар в широкий плоский пик.
Лабораторное задание Чикагского университета предлагает похожий опыт у стены примерно в 50 м: источник звука, микрофон рядом с ним и измерение промежутка между основным ударом и отражением.
Представьте путь звука как прогулку до стены и обратно. Между ладонями и стеной 50 м, но микрофон слышит эхо лишь после обратной дороги. Волна прошла 50 + 50 = 100 м. Её скорость равна всему пройденному пути, делённому на время между хлопком и эхом:
Скорость звука = 2 × расстояние до стены / задержка эха
Для стены в 50 м и задержки 0,292 с получается 100 / 0,292 ≈ 342 м/с. Если забыть обратный путь, выйдет 171 м/с. Это не неожиданное физическое открытие, а потерянная половина дороги.
На рисунке микрофон стоит рядом с источником. Если отнести его на несколько метров в сторону, путь к стене и обратно перестанет быть двумя одинаковыми отрезками: для точного расчёта понадобится другая геометрия.
Откройте аудиофайл так, чтобы видеть форму волны и метки времени. Хлопок обычно выглядит как короткий высокий пик, то есть заметный всплеск на рисунке звука. Следом, через доли секунды, виден более слабый похожий всплеск. Увеличьте участок около одного хлопка и запишите время начала первого и начала отражённого пика. Если выбрать у одного звука начало, а у другого максимум, в расчёт попадёт лишняя задержка. Старайтесь сравнивать одинаковые точки двух импульсов.
Не всякий второй пик является нужным эхом. Звук может удариться о боковую стену, вернуться от дальнего здания или отразиться дважды. Сравните несколько хлопков: нужный отклик от выбранной стены должен повторяться через примерно одинаковое время. Если отойти от стены на 5 м вместе с телефоном и хлопать у него на новом месте, задержка вырастет примерно на 10 / 343 ≈ 0,029 с. Волна теперь проходит дополнительные 5 м в каждую сторону. Отражение от другой поверхности может измениться иначе.
Вот учебная серия, а не результаты нашего реального измерения. Расстояние от микрофона до стены равно 50 м. Для трёх отдельных хлопков редактор показал задержки 0,290, 0,293 и 0,294 с. Средняя задержка равна (0,290 + 0,293 + 0,294) / 3 = 0,2923 с. Звук прошёл 100 м, поэтому его оценённая скорость составляет 100 / 0,2923 ≈ 342 м/с.
Разница с ориентиром 343 м/с составляет около 1 м/с, или 0,3%. Но не спешите объявлять опыт точным до десятых. Если расстояние определено с ошибкой в 1 м, это уже около 2% для 50-метрового отрезка. Три похожих временных отсчёта помогают заметить случайные сбои, но не исправят неверно измеренное расстояние или выбранное чужое отражение.
Полезнее записать итог как «примерно 340 м/с в наших условиях» и приложить расстояние, температуру и интервал задержек. Тогда другой человек сможет понять, откуда взялась цифра, и повторить её.
Расстояние. Отмечайте путь от микрофона до плоскости стены, а не до конца двора на карте. Старайтесь измерять ту часть стены, от которой пришло главное отражение. Для изогнутой, ступенчатой или наклонной поверхности прямая «до стены» может не совпасть с действительным путём волны.
Время. Смотрите на оба пика с увеличением и проверяйте шкалу в секундах. 0,29 с и 0,029 с различаются в десять раз, хотя на маленьком экране оба промежутка выглядят короткими. Если второй всплеск едва заметен, лучше повторить запись, чем угадывать его начало.
Лишние отражения. На площадке с двумя стенами может быть несколько возвращений. На записи они похожи на цепочку затухающих ударов. Передвиньтесь вдоль стены или отойдите от неё на несколько метров вместе с микрофоном. Пик, который соответствует выбранной стене, должен сдвинуться предсказуемо. В лабораторном задании Чикагского университета отдельно предлагают проверить, видны ли на записи другие отражения.
Температура влияет на эталон, но обычно не объясняет очень большой промах. При 0 °C в сухом воздухе ориентир около 331 м/с, при 20 °C около 343 м/с. Разница порядка 12 м/с. Если вместо 343 вышло 600 м/с, сначала ищите ошибку в пути или времени, а не «особую погоду».
Для сухого воздуха в привычном температурном диапазоне удобно грубо оценивать скорость так: 331 + 0,6 × температура в °C, результат в м/с. При 20 °C получится 343 м/с, при 0 °C около 331 м/с, при 30 °C около 349 м/с. Это приближение, а не точная формула для любого газа и любой погоды. Состав воздуха и влажность тоже немного меняют результат. NASA отмечает, что при 20 °C эффект перехода от сухого воздуха к 100% относительной влажности составляет около 0,4%.
Отсюда следует интересная проверка: если повторить опыт в холодный и тёплый день на той же площадке, сохранив положение микрофона и направление к стене, задержка эха должна немного измениться. Для 50 м при 0 °C ожидается около 100 / 331 = 0,302 с, при 20 °C около 0,292 с. Разница примерно 0,010 с. Её уже можно искать на записи, но трудно уверенно отделить от ошибки расстояния, выбора пика и меняющегося ветра без аккуратной повторяемой постановки. Для домашнего опыта это второй уровень сложности, а не обязательная часть.
Мах 1 означает скорость звука в данном воздухе. Поэтому значение в м/с меняется с температурой. Наш конвертер Маха в м/с использует округлённую опору 340 м/с: он удобен для грубого сравнения, но не должен подменять вашу измеренную скорость и температуру. Почему авиации важна именно эта относительная величина, подробнее разобрано в статье о числе Маха.
Звук проходит в воде и твёрдых телах с другой скоростью, потому что они иначе передают колебания. Значение 343 м/с нельзя переносить на воду или на стальную стену. В вакууме между частицами нечему передавать звуковую волну, поэтому обычный звук там не распространяется.
Если скорость звука уже известна, опыт можно перевернуть: по задержке оценить расстояние до отражающей поверхности. Для эха через 0,50 с при 20 °C волна прошла примерно 343 × 0,50 = 171,5 м туда и обратно. До стены будет вдвое меньше, около 86 м. Так работает общая идея эхолокации: послать сигнал, поймать возвращение, разделить весь путь на два.
Здесь важно знать, где возник исходный звук и к какой поверхности относится эхо. Запись в шумном дворе не превратится в точный дальномер одним нажатием. Зато она позволяет проверить собственными руками главный принцип: расстояние, время и путь звуковой волны связаны, а число 343 м/с можно получить не только из таблицы.
Для школьного проекта ценнее аккуратно объяснить расхождение, чем случайно получить красивое 343,00 м/с. Запишите вместе с итогом расстояние, температуру и три отдельных задержки: тогда результат можно проверить, а опыт повторить в другой день.
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.