B- Vận
tốc âm
Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho các phân tử không khí co lại
hay giãn nở ra và
đó chính là sự đàn hồi. Sự đàn hồi này tạo ra các cột
không khí co giãn. Âm thanh di chuyển qua không khí dưới dạng sóng dọc có vận tốc v = λ f (λ đọc là lăm đa, bằng độ
dài sóng hay bước sóng và f Tần Số sóng.)
Chắc hẳn chúng ta còn nhớ từ trung học,
thầy cô đã nói tới hiện tượng người giặt chiếu. Ta đứng xa nhìn thấy người giặt
chiếu. Người này dơ chiếu đập xuống nước làm ta thấy nước bắn téo lên nhưng một
lúc sau mới nghe tiếng đập.
Trong cơn mưa rào, ta thấy chớp và một
lúc sau ta mới nghe tiếng sấm ầm ầm dội tới. Thật ra sấm chớp xẩy ra cùng một
lượt. Các hiện tượng trên cho ta thấy rằng ánh sáng đi nhanh hơn âm thanh và âm
thanh cũng phải có vận tốc. Vận tốc âm được truyền đi dưới dạng sóng, tương như
hiện tựơng sóng tạo ra khi ta ném một vật xuống mặt ao. Tuy nhiên, sóng nước ao
truyền trên một mặt phẳng còn sóng âm truyền trong không gian 3 chiều. Hay nói
một cách khác đi sóng nước ao tạo ra các vòng tròn, còn sóng âm tạo ra các mặt
cầu.
Theo nghiên cứu của khoa học thì vận tốc
âm truỳên trong không khí ở 20 độ C tức ngay sát mặt biển có vận 343m/s (đọc là
343 mét 1 giây).
Để hiểu một cách rõ ràng
thì ta cứ tưởng tượng một chàng V đứng ngắm cô K giặt chiếu bên bờ hồ. Chỗ chàng cách xa nàng đứng 343m trong một buổi chiều
thật đẹp chẳng nóng cũng không lạnh mà gió rất nhẹ chỉ đủ làm con người dễ
chịu chứ mặt hồ phẳng lặng như gương. Cô gái K chắc hẳn phải
là rất đẹp nên chàng thanh niên V kia mới ngắm và còn quan sát thật kĩ. Anh
chàng này là một nhà thông thái và còn là nhà phát minh vì anh phát minh ra một
cặp mắt kính nhìn thấy không khí rung động.
Cô nàng đến ven hồ, sắn quần đến đầu gối rồi lội ra hồ.
Một lúc cô nàng K đưa chiếu lên và đập mạnh xuống
nước, anh V thấy một nửa quả cầu không khí phát ra bởi sức rung động khi chiếu
chạm mặt nước. Nửa quả cầu phình càng lúc càng lớn và đúng 1 phút sau quả cầu
phình đến chỗ anh ta đồng thời anh nghe tiếng bộp thật lớn. Vì chiếu đập trên mặt
nước nên sóng âm chỉ là nửa quả cầu còn nửa kia đã hấp thụ vào đất.
Sóng âm
Ngày hôm sau, V thấy cô K ăn mặc gọn
gàng ra khỏi nhà. Anh ta vội vã theo vết cô nàng, thì nhận ra nàng đi đến ngôi
chùa cuối làng. Anh không dám đến gần nên đứng xa xa nhìn nàng vào chùa lễ Phật.
Một lúc sau, cô gái yêu kiều theo một ni cô lên tháp chuông cạnh cổng. Cô thắp
nhang nghiêm chỉnh chắp tay. Ni cô gõ một tiếng chuông, thì nàng bắt đầu lậy. V
nhấy sóng chuông bây giờ gần như một quả cầu vì tháp rất cao.
Tháp chuông
Trong một giờ có 3600 giây, nếu bạn lấy
vận tốc giây 343m rồi nhân cho con số này bạn sẽ có vận tốc giờ. Và vận tốc âm
thanh trong 1 giờ là 1236 km/h (768 mph).
Vận tốc này thay đổi theo tỷ trọng và độ
nóng (tức nhiệt độ) của vật thể mà âm được truyền đi; vật càng cứng thì âm
thanh được chuyển nhanh hơn. Trong nước âm thanh truyền nhanh gấp hơn 4 lần so
với không khí, còn trong sắt âm thanh nhanh gấp 15 lần. Ta nhiều khi xem phim
cao bồi thấy một người da đỏ nằm úp tai xuống đất để nghe tiếng vó ngựa của địch
quân là vì vậy. Trong phim người Pháp đánh du kích chống Đức Quốc Xã, họ cũng
dùng tai kề vào đường rày xe lửa để xem xe lửa Đức sắp tới chưa cũng không
ngoài mục đích áp dụng ấy.
Riêng trong không khí thì vận tốc âm được tính
bằng công thức:
= 331.4 + .6qc ms-1 [1]
Ví dụ nếu hôm nào nóng với nhiệt độ 34o C, vận tốc âm là 351.8 m/s
Hôm lạnh 12oC, vận tốc âm chỉ còn 338.6 m/s và ngày nào đó ở Big Bear, California lạnh tới 32oF hay 0oC thì vận tốc âm thanh là 331.4 m/s
Trong bài viết này ta chú tâm tới âm
trong không khí và chân không.
Khi âm thanh đến một tường tương đối phẳng
thì sóng âm sẽ dội ngược lại. Vì vậy nhiều khi các bạn vào núi hú lên một tiếng,
một lúc sau bạn sẽ nghe được âm thanh ấy dội lại. Và vận tốc âm truyền do sự dội
lại cũng bằng vận tốc âm lúc truyền đi.
Bây giờ ta tưởng tượng cảnh đi chơi núi.
Một ngày đẹp trời, nhưng rất lạnh, anh H,
hào hoa, đem cô bồ T, xinh đẹp như mộng, lên một vùng núi non hùng vĩ của hồ Big Bear- Cali, để xem tuyết. Ở một nơi với
các vách đá dựng hai ngừơi đứng lại ngắm cảnh một cách thanh tao (hoàn toàn đứng
đắn đấy nhé).
Hồ Big Bear
Khi hai người đang mải mê nhìn cảnh đẹp
thiên nhiên, T chợt thốt:
-
Trước
mặt cảnh đẹp như tranh.
Nhưng
em sao biết lòng anh bây giờ?
H mỉm cười, đáp lại:
-
Yêu
em, yêu chẳng bến bờ.
Để
anh nói với núi, hồ biết nhe.
Lập tức anh chàng ta, đưa tay lên miệng
làm loa, hướng vào núi, nói thật lớn:
-
T ơi! Anh yêu em!
Anh nhìn vào đồng hồ và thấy 6 giây sau tiếng vọng từ
núi ra:
-
T ơi! Anh yêu em!
T vui thú vì người yêu làm việc này.
H hỏi T:
-
Em biết các vách núi kia cách mình bao
nhiêu mét không?
T thẹn thùng:
-
Xa quá, làm sao mà biết được. Dù có một
cái thước thật dài đo cũng chẳng được?
H hãnh diện:
-
Từ đây đến đó khoảng 1 cây số em ạ.
Cô T hỏi:
-
Làm sao anh biết?
H giảng:
-
Hôm nay nhiệt độ lạnh khoảng 0 độ C, nên
vận tốc âm khoảng là 333 m một giây. Anh hú tiếng vừa rồi và nghe tiếng vọng là
6 giây tổng cộng vừa đi vừa về. Vậy thời gian để âm đi hay về là một nửa tức 3
giây. Đem 3 giây nhân với 333 thì được gần 999 mét.
Cô T nhìn H với đôi mắt thán phục, và
yêu chàng trai hào hao lẫn tài ba ấy nhiều hơn.
Vì đây là một kiến thức phổ thông nên ta chỉ cần quan
sát với các công thức đơn giản. Thật ra công thức vận tốc lí tưởng trong một
môi trường tùy thuộc theo hằng số độ cứng,
tỷ trọng của môi trường, chỉ số đoạn nhiệt (adiabatic index), Boltzmann
constant, shear modulus, Young’s modulus, Poisson’s ratio…rất phức tạp.
No comments:
Post a Comment