28.11.2020
PL EN
24.10.2020 aktualizacja 24.10.2020

Nieprzekraczalna prędkość dźwięku

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

W normalnych warunkach fale dźwiękowe nie mogą przekraczać prędkości 36 kilometrów na sekundę - informuje pismo “Science Advances”.

W różnych materiałach dźwięk rozchodzi się z różną prędkością. W helu jest prawie trzy razy szybszy niż w powietrzu – dlatego ryzykowne eksperymenty z wdychaniem helu sprawiają, że głos staje się piskliwy. Odwrotnie jest w przypadku sześciofluorku siarki, który sprawia, że głos się obniża. W gumie dźwięk osiąga tylko 30 metrów na sekundę, natomiast najszybszy jest w diamencie - aż 18 000 metrów na sekundę. Fale dźwiękowe przemieszczają się przez materiał, gdy jedna cząsteczka zderza się z inną. Prędkość fali zależy od różnych czynników, w tym od typów wiązań chemicznych utrzymujących razem materiał i masywności jego atomów.

Jak wykazał Kostya Trachenko i jego współpracownicy z Queen Mary University of London, w warunkach występujących naturalnie na Ziemi żaden materiał nie może przenosić fal dźwiękowych z prędkością większą od około 36 000 metrów na sekundę (ponad 100 razy większą niż typowa prędkość dźwięku przemieszczającego się w powietrzu – 340 metrów na sekundę). Wartość ta opiera się na fundamentalnych stałych fizycznych, które określają właściwości i interakcje cząstek subatomowych. Są to prędkość światła i stała struktury subtelnej (która określa siłę, z jaką naładowane elektrycznie cząstki odpychają się i przyciągają). W połączeniu we właściwym układzie z inną stałą - stosunkiem mas protonu i elektronu - liczby te dają ograniczenie prędkości dźwięku.

Rola podstawowych stałych w maksymalnej prędkości dźwięku wynika ze sposobu, w jaki fale przechodzą przez materiały. Dźwięk przemieszcza się dzięki oddziaływaniom elektromagnetycznym elektronów sąsiednich atomów, gdzie do gry wchodzi stała struktury subtelnej. A stosunek masy proton-elektron jest ważny, ponieważ chociaż w interakcje wchodzą ze sobą elektrony, w rezultacie poruszają się jądra atomów.

Limit dotyczy tylko ciał stałych i cieczy pod ciśnieniem typowym dla Ziemi. Pod ciśnieniem około 6 milionów razy większym niż w atmosferze ziemskiej fale dźwiękowe mogą poruszać się szybciej i przekroczyć limit.

Jedyny materiał, w którym dźwięk mógłby poruszać się w pobliżu limitu prędkości to metaliczny wodór - jednak w warunkach ziemskich nie może on istnieć, potrzebne są ogromne ciśnienia występujące na przykład w jądrach wielkich planet. Nie udało się go także w przekonywujący sposób wytworzyć eksperymentalnie. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/

Copyright © Fundacja PAP 2020