Продолжаю публикацию книжки "Эскизы устройства мира" такими темами: 1. Значительные различия скоростей звука в газах, жидкостях и твердых телах. Даже при их одинаковом молекулярном составе. 2. Природа такого различия. 3. Механизмы затухания звука. 1.3. Скорость звука в разных средах. Из всего изложенного выше важно понять, что скорость звука в газе и тепловая скорость его молекул пропорциональны корню квадратному из абсолютной температуры газа и обратно пропорциональна корню квадратному из массы молекул. Для иллюстрации зависимости скорости звука от массы молекул приведу опытные данные для газов при атмосферном давлении и нулевой температуре по Цельсию: в воздухе – 331 м/сек, в кислороде – 316 м/сек, в азоте – 334 м/сек, в водороде – 1284 м/сек, углекислом газе – 269 м/сек. Видно, что чем массивней молекулы, тем скорость звука в газе из таких молекул меньше. И наоборот. Молекула воды легче молекулы азота в 1,56 раза. Поэтому в водяном паре при тех же условиях скорость звука должна быть ~ 416 м/сек. Но как только водяной пар сконденсируется в воду, то скорость звука в воде при тех же температуре и давлении станет ~ 1450 м/сек. Почему так? Дело в том, что в газе, где расстояние между молекулами значительно больше их размера, скорость звука определяется именно тепловой скоростью молекул. А в жидкостях молекулы прижаты друг к другу. И передают звуковой сигнал через упругие деформации их электронных оболочек, расстояния между которыми значительно меньше размеров самих молекул. Есть хорошая привокзальная аналогия этого процесса – плотно стоящие друг к другу вагоны, расстояния между буферами которых буквально 2-3 сантиметра. Если первый вагон толкнет локомотив, то лязг от соударений буферов пронесется вдоль всей цепочки вагонов с гораздо большей скоростью, чем та, с которой начнут двигаться сами вагоны. Эта аналогия объясняет причину гораздо больших скоростей звука в жидкостях и твердых телах. При тех же температуре и давлении скорость звука: в воде – 1450 м/сек, во ртути – 1380 м/сек, в твердом железе – 5950 м/сек, в стекле – 4800 м/сек. Заметно большая скорость звука в твердых телах по сравнению со скоростью звука в жидкостях обусловлена дополнительной упругостью кристаллических решеток твердых тел. 1.4. Затухание звука. Интенсивность звука падает с расстоянием от источника звука обратно пропорционально квадрату этого расстояния. Просто потому, что площадь сферы, по которой размазана энергия звуковой волны, пропорциональна квадрату расстояния от источника звука. Кроме того, столкновения молекул не являются абсолютно упругими. Часть энергии в таких столкновениях может переходить из поступательных степеней свободы движения молекул во вращательные и, в меньшей степени, в колебательные степени свободы. Часть (при достаточно высоких температурах) – в излучение электромагнитных волн низкой частоты (и энергии). В результате не слишком интенсивные звуковые волны довольно быстро затухают. В макроскопических моделях, например, в уравнениях газодинамики, затухание любых движений из-за неупругих столкновений молекул описывают коэффициентами вязкости. Первой вязкости , приводящей к затуханию сдвиговых движений среды, и второй вязкости , приводящей к затуханию движений типа сжатие-разрежение среды. Ясно, что на затухание звука работает в основном вторая вязкость.