Proč je zvuk ve vodě rychlejší než ve vzduchu?

Je to zdánlivý paradox. Vzduch je přeci řidší než voda. Neměl by se zvuk nést vzduchem lépe a rychleji než vodou nebo třeba kovem? (délka blogu 3 min.)

Rozluštění záhady je vlastně úplně jednoduché. Matoucí je jen srovnání se situací, se kterou se setkáváme v běžném životě.

Všichni víme, že procházka ve vodě vyžaduje daleko více energie než procházka po souši. Člověk totiž musí překonat odpor vody, který je silnější než odpor vzduchu. Ten je tím vyšší, čím vyšší je hustota daného média. Hned v prvních rocích života se také učíme, že některými médii se prostě projít nedá (zeď, kov nebo dřevo). Jsou příliš pevné a kladou příliš vysoký odpor.

Každý, kdo někdy bydlel v paneláku a slyšel, jak soused vrtá díru do zdi, bude souhlasit - zvuk se přenáší dokonce i pevnými předměty - takovými, kterými člověk neprojde. Zvuk se jimi šíří až příliš dobře. Princip jeho pohybu musí být jiný, než princip pohybu lidí.

Co je to vlastně zvuk?

Zvuk je mechanické vlnění prostředí (například vzduchu), které je schopno vyvolat sluchový vjem, říká definice.

Člověk je schopen vnímat různé frekvence od 16 Hz až 20 000 Hz (kmitů za sekundu). Mechanické vlnění mimo tyto frekvence sluchový vjem nevyvolává, přesto se někdy také označuje jako zvuk.
Frekvence nižší než 16 Hz se označují jako infrazvuk. Lidé ho sice už nemohou slyšet, některá zvířata ale ano - například sloni. Frekvence vyšší než 20 kHz se jmenuje ultrazvuk. Slyší ho například psi, delfíni nebo netopýři.

Zvukové vlny se projevují nepatrnými změnami tlaku a hustoty media, kterým se přenášejí. Tyto změny se dají představit jako vlny. Vlnění může být dvojího druhu - příčné a podélné.

V kapalinách a plynech, jejichž molekuly nejsou spojené v pevné prostorové struktuře, se zvuk přenáší tzv.podélným vlněním. Vlnovou “délkou” se zde nazývá vzdálenost dvou sousedních zahuštění.

V pevných látkách je tomu jinak. V nich se může zvuk nést jak podélnými, tak příčnými vlnami. Je to způsobeno pevnou prostorovou strukturou pevných látek.

Rychlost zvuku v plynech (vzduchu)

Rychlost zvuku v plynech ovlivňují převážně dva faktory: druh molekuly daného plynu (jeho chemická struktura) a vnější fyzikální podmínky (teplota).

Zvuk se šíří v teplém vzduchu jinou rychlostí než ve studeném. Vysvětlení je poměrně jednoduché. Molekuly teplejšího plynu kmitají rychleji než molekuly chladného plynu. Tím se zvyšuje také riziko jejich vzájemné kolize - tedy i vzájemné propojení. Čím intenzivnější je propojení molekul v dané látce, tím rychleji se v něm nese zvuk, který je v podstatě signálem, nesoucím se od molekuly k molekule.

Zatímco jsou změny rychlosti zvuku při různých teplotách relativně malé, má na ni daleko větší vliv výše zmiňovaná chemická struktura daného plynu. Přitom se dá definovat několik zákonitostí.

Čímtěžšínebo čímkomplikovanější (vnitřní stavba)jsou molekuly plynu - tím pomalejší je v něm rychlost zvuku. Tato rychlost se nachází typicky v rozmezí 200 - 1300 m/s (ve vzduchu je to kolem 330 m/s).

Rychlost zvuku v kapalině (vodě)

V kapalinách je rychlost zvuku závislá na jejíschopnosti odolávat stlačení a na hustotě.Čím vyšší hustota kapaliny, tím nižší je v ní většinou rychlost zvuku.

Ve vodě má zvuk rychlost kolem 1480 m/s. Ve většině kapalin se tato rychlost pohybuje mezi 1100 a 2000 m/s - zvuk se tedy běžnou kapalinou nese poněkud rychleji, než běžným plynem.

Rychlost zvuku v pevných tělesech

Také v pevných tělesech se zvuk nese lépe než plynem. I tady je jeho rychlost závislá nadruhu látky a její hustotě. Rozdíl spočívá v tom, že se zvuk může v pevných tělesech přenášet oběma druhy vlnění - jak příčným, tak podélným. Podélné vlny se tu šíří rychlostmi kolem 1200 - 6000 m/s. I tady se rýsuje hned několik všeobecných pravidel.

Těžkékovy (jako například zlato) nesou zvuk pomaleji  než jejich lehčí kolegové (například hliník). Vetvrdšíchkovech (ocel) se zvuk nese rychleji než v měkkých (například měď).  

Různé látky - různá rychlost zvuku

Pokud tedy porovnáme všechna tři media - plyn, kapalinu a pevnou látku, zjistíme, že se navzájem liší.

Molekulyplynůjsou velice lehké. Působí na sebe navzájem ovšem jen slabými silami. Jsou navzájem jen málo “provázané”. Rychlost zvuku je závislá na vzájemné souhře jednotlivých molekul v látce. V málo provázaných látkách proto musí být relativně nízká.

Síly, kterými na sebe navzájem působí molekuly vkapalinějsou daleko vyšší. Čím silnější je vliv vzájemného působení molekul, tím vyšší je také rychlost zvuku v dané látce. Je jen logické, žepevnými tělesyse zvuk nese nejrychleji.

V každém případě ovšem máte z pracovních aktivit vašich sousedů daleko lepší akustický požitek, než ze svých vlastních.