erd_sol (erd_sol) wrote,
erd_sol
erd_sol

Category:

Максимальная скорость звука в 100 раз может превышать скорость в воздухе


Согласно расчетам российских и британских физиков, основанным на фундаментальных константах, верхний предел скорости звука составляет 36 км в секунду, что в 100 раз больше скорости звука в воздухе, но намного медленнее света.

Со времен теории относительности Эйнштейна мы знаем, что верхний предел скорости света в вакууме составляет около 300 000 км в секунду. Как и свет, звук распространяется в волновой форме, поэтому можно подумать, что его максимальная скорость также является универсальной физической константой. За исключением того, что звуковые волны отличаются от световых волн, которые являются электромагнитными волнами. Звук, с другой стороны, является механической волной, вызванной вибрацией в среде.

По мере прохождения волны через среду молекулы сталкиваются друг с другом, передавая энергию в направлении распространения. Но эта передача задерживается инерцией, что означает, что волны движутся быстрее, когда частицы менее массивны. Более жесткие связи между молекулами также генерируют меньше задержки, так как каждой частице меньше нужно двигаться, чтобы вызвать движение своего соседа.

Как правило, звук медленнее в газах, быстрее в жидкостях и еще быстрее в твердых телах. В воздухе, в условиях окружающей среды, звук движется со скоростью около 340 м/с по сравнению с 1500 м/с в воде и более 5000 м/с в железе.

Выраженная математически, продольная скорость звука в материале равна квадратному корню модуля упругости этого материала (который количественно определяет его прочность на сжатие), деленному на его плотность. Кроме того, что существуют тысячи различных материалов, и это ничего не говорит нам о теоретическом ограничении скорости.

В статье Science Advance Костя Траченко из Университета Королевы Мэри в Лондоне и его коллеги из Кембриджского университета и Института физики высокого давления Российской академии наук поставили задачу переписать эту формулу с точки зрения фундаментальных констант. Они связали скорость звука с двумя фундаментальными константами: константой тонкой структуры, которая является фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия, и соотношением масс протона и электрона.

Скорость звука vu равна постоянной структуре основной α умножается на коэффициент соотношения массы электрона-протона (me/mp), умноженной на скорость света в вакууме c.

Верхний предел звука достигается, когда масса атомов минимально возможная (атом водорода). В земных условиях этот верхний предел составляет чуть более 36 000 м/с. Это все еще почти в 10000 раз медленнее, чем верхний предел света, но примерно в два раза выше, чем самые быстрые звуковые волны из когда-либо зарегистрированных и распространяющихся в алмазе со скоростью около 18000 м/с.

Металлический водород, материал, который взрывает предел.

Для проверки правильности своего уравнения исследователи сравнили прогнозы с экспериментально полученными скоростями в 36 различных элементарных твердых телах. Они построили логарифмическую кривую, чтобы показать, как скорость изменяется в зависимости от атомной массы твердых тел, и поместили прямую, рассчитанную по их уравнению, на тот же самый график. Они обнаружили, что точки экспериментальных данных более или менее следуют линии наклона.

Скорость, измеренная экспериментально в 36 твердых телах (синие точки), по сравнению с теоретической скоростью, рассчитанной по уравнению (черная линия).

Однако предел 36 000 м/с может быть приблизительно достигнут в металлическом водороде, который должен существовать только при чрезвычайно высоком давлении, превышающем примерно в 6 миллионов раз атмосферное давление Земли на уровне моря (1013 гектопаскаля). Теоретически, тогда можно будет достичь 35 000 м/с, но так как никто еще не успел сделать этот знаменитый металлический водород, это не поддается проверке.

Источники:
https://new-science.ru/rossijskie-i-britanskie-fiziki-rasschitali-maksimalno-vozmozhnuju-skorost-zvuka/
https://advances.sciencemag.org/content/6/41/eabc8662
Tags: наука, физика
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 37 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →

Recent Posts from This Journal