Ze zdroje zvuku se šíří zvukové vlnění do okolního prostředí. V kapalinách a plynech se šíří jako postupné vlnění podélné, v pevných látkách jako postupné vlnění podélné i příčné. Nutnou podmínkou pro šíření zvuku je pružné prostředí. V nepružném prostředí (vlna, korek, plsť apod.) se zvuk šíří špatně. Takové látky používáme jako zvukové izolátory. Jak dokázal už Otto von Guericke se svou vývěvou, ve vzduchoprázdnu se zvuk nešíří.
Otto von Guericke.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Anselmus von Hulle. Public domain.
Zvukové vlnění má všechny vlastnosti vlnění v prostoru. Pro vlnovou délku λ a platí vztahy
kde T je perioda a f frekvence vlnění. Vlnové délky zvuku jsou v rozmezí od 21 m pro frekvenci 16 Hz do 21 mm pro frekvenci 16 kHz.
Rychlost zvuku závisí na druhu, hustotě a teplotě prostředí, dále na přítomnosti dalších látek, vodní páry a vlhkosti vzduchu. V pevných látkách závisí na hustotě a modulu objemové pružnosti
Rychlost zvuku v plynu je úzce spojena se střední kvadratickou rychlostí molekul daného plynu. Zvuková vlna se šíří pomocí srážek mezi jednotlivými molekulami. Rychlost vlny proto nemůže být vyšší než střední rychlost molekul, neboť molekuly se pohybují všemi směry, a ne jen ve směru vlny. Rychlost zvuku v plynech závisí na tlaku, hustotě a Poissonově konstantě, jak v roce 1816 dokázal Pierre Laplace
Oba vztahy mají jen určité hranice použitelnosti. Kromě toho rychlost zvuku ve vzduchu závisí i na teplotě
kde vt je velikost rychlosti zvuku při teplotě t, konstanta k = 0,6 m s–1 K–1 a v0 = 331,6 m s–1 je rychlost zvuku ve vzduchu při teplotě 0 °C. Obvykle počítáme s hodnotou 340 m s–1, která odpovídá teplotě vzduchu asi 15 °C. Měřením rychlosti zvuku ve vzduchu se zabýval Viviani (1656), Robert Boyle (1700), Giovanni Cassini, Christian Huygens, John Flamsteed, Edmond Halley apod. Rychlost zvuku se mění i s frekvencí, jev se nazývá disperze zvuku. Jev teoreticky popsal už v roce 1880 Hendrik Lorentz, ale experimentálně byl ověřen až dlouho po té, protože se projevuje až u frekvencí řádovově 103 – 105 kHz, tedy u ultrazvuku.
|
Prostřední |
Rychlost (m/s) |
Prostřední |
Rychlost (m/s) |
|---|---|---|---|
|
Voda |
1 440 |
Dřevo |
4 000 |
|
Beton |
1 700 |
Ocel |
5 000 |
|
Led |
3 200 |
Sklo |
5 200 |
Poprvé se pokusil už v 17. století změřit rychlost zvuku ve vzduchu františkánský mnich Marin Mersenne. Jeho přítel střílel z kanónu a Mersenne ve větší vzdálenosti měřil čas mezi zábleskem u hlavně při výstřelu a okamžikem, kdy k němu dorazil zvuk výstřelu. Neměl však k dispozici přesné hodiny a tak počítal údery vlastního srdce. Jeho odhad byl kolem 430 m/s.
Francouzský vědec Henri Regnault v 19. století sestrojil důmyslný přístroj, v němž se otáčel pravidelnou rychlostí válec a zapisovač kreslil čáru na jeho povrchu. Zapisovač byl ovládán dvěma elektrickými obvody. Regnault vystřelil z pistole, která byla připojena k jednomu z obvodů. Zvuk z výstřelu zaregistrovala membrána, tím se obvod přerušil a zapisovač se posunul do nové pozice. Obvod se následně propojil a zapisovač se vrátil do původní pozice. Regnault znal rychlost, se kterou se válec otáčel. Změřil vzdálenost mezi značkami a zjistil, jak rychle pokus proběhl. Naměřil rychlost zvuku ve vzduchu 1220 km/h.
Rychlost zvuku ve vodě poprvé přesně měřili Jean-Daniel Colladon a Charles Sturm. Na Ženevském jezeře postavili v roce 1827 dvě loďky do vzdálenosti 13487 m. Speciální zařízení zároveň uhodilo do zvonu ponořeného do vody a odpálilo nálož střelného prachu. Pozorovatel na druhé loďce naměřil rozdíl mezi akustickým a optickým signálem 9,4 s, což odpovídá 1435 m/s.
V letectví se při popisu rychlosti používá jednotka Machovo číslo, která nese jméno podle fyzika Ernsta Macha. Udává poměr rychlosti letu k rychlosti zvuku v daném prostředí. Poprvé překonal rychlost zvuku americký zkušební pilot USAF Charles Yeager v čtyřmotorovém letounu Bell X1 14. října 1947. Během letu dosáhl nejvyšší rychlosti 1298,55 km/h (u zemského povrchu odpovídá 1 Ma rychlosti asi 1 225 km/h, ve stratosféře pak rychlosti 1 060 km/h).
Symbolem létání nadzvukovou rychlostí se stal letoun Concorde. Poprvé se zvedl do vzduchu 2. března 1969 a hranici rychlosti zvuku překonal 1. října 1969. S pasažéry vyrazil na první cestu přes Atlantik 26. září 1973. Rychlost zvuku se ale podařilo o čtvrt roku dříve pokořit sovětskému letounu Tupolev Tu-144. I když letouny Concord po havárii v červenci 2000 na ranveji pařížského letiště už nelétají, přesto drží od 24. října 2003 rychlostní rekord v civilní přepravě přes Atlantik, v roce 1996 zvládl cestu mezi Londýnem a New Yorkem za 2 hodiny a 52 minut.
Letoun X-43D. Zdroj: www.nasa.gov.
Rychlosti až mach 15 lze dosáhnout letounem X-43D od NASA poháněným nadzvukovým motorem SCRAMJET. Tento motor se skládá z trubice a škrtidla. Vtékající vzduch do trubice se ve škrtidle stlačuje a zahřívá. Palivo (vodík) se po vstříknutí do komor vzněcuje samo. Spaliny unikají zadní tryskou ven. Motor SCRAMJET funguje jen při vysokých rychlostech. Letadlo se na tuto rychlost musí urychlit jinak (jiný letoun, raketa).
