Pull to refresh

Звук- это продольная волна в упругой среде. Воздух- это упругая среда?

Reading time18 min
Views10K

Почему никто не ссылается на «кинетическую теорию газов» при объяснении упругих звуковых волн в воздухе, но при этом физику упругости «твёрдого тела» объясняют через уравнения газовой динамики?

Мы постоянно окружены воздухом и звуками в нём.

Воздух и звук — это неотъемлемая часть нашей жизни, но и то и другое мы не в состоянии увидеть.

Без воздуха мы бы умерли, так как перестали бы дышать.

Без способности слышать звуки мы лишились бы средства общения между людьми и потока информации о внешней среде.

Так что спорить о существовании воздуха и звука не приходится.

Другой вопрос в том, что не очень понятен принцип устройства самого воздуха и механизм передачи звука в нём.

Известные факты о воздухе:

  • воздухом мы окружены постоянно,

  • он имеет температуру, плотность, давление, проявляет упругие свойства в некоторых условиях (автомобильные шины и футбольные мячи),

  • с опорой на воздух могут летать самолёты.

Известные факты о звуке:

  • Передаётся по воздуху

  • Имеет скорость 300–350м/с в зависимости от температуры среды (в холодном воздухе медленнее)

  • Одинаковая скорость у звука разной громкости и разной «нотности» (частоты волны).

  • Звук издаётся любыми движущимися предметами.

Для дальнейшего рассмотрения звука как звуковой волны в воздухе мы построим механическую модель идеального звукогенератора.

Поршневой звукогенератор

В качестве звукогенератора продольной волны создадим механическую установку, способную генерировать идеальный синусоидальный сигнал.

В качестве такого механизма мы будем использовать кривошипно‑ шатунный механизм с плоским поршнем (см.рис.1)

При этом длина шатуна будет считаться бесконечно большой. Так чтобы его угловые отклонения от оси цилиндра были близки к нулю, а длина проекции на ось имела постоянную длину, то есть косинус угла отклонения равен единице.

Создавать поршневой звукогенератор мы будем виртуально, то есть с помощью картинок и расчётных моделей.

рис. 1
рис. 1

Рис.1. Схема кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и его применение в поршневом ДВС (справа).

В реальности подобные установки тоже возможны, но они будут генерировать только очень низкие частоты из‑за ограниченных скоростей вращения кривошипно‑шатунного механизма.

При этом ограничения чисто механические, так на высоких скоростях вращения просто не выдержат сами кривошипы из‑за чудовищных разрывных сил от центростремительного ускорения.

Да и вращать кривошип можно только с весьма низкими угловыми скоростями.

Так самые высокооборотистые промышленные электродвигатели выдают скорость вращения всего 24 тыс.об/мин, что соответствует вращению синхронного электродвигателя двигателя на частоте переменного тока 400Гц.

Электродвигатели на частоте 400Гц применяют в электроприводах самолётов для снижения массы двигателя при сохранении мощности установки.

И даже сверхскоростные газовые центрифуги для разделения изотопов урана вращаются на скоростях всего 1500об/секунду (1500Гц).

Но в теоретических расчётах прочность материалов и частота промышленного тока никак не смогут ограничить полёт нашей фантазии.

Таким образом, мы рассматриваем виртуальную модель кривошипно‑шатунного генератора плоской продольной волны.

При этом закон перемещения поршня строго привязан к круговой диаграмме вращения кривошипа на валу, а проекция длины кривошипа на ось цилиндра генерирует идеальный синусоидальный график от угла поворота вала кривошипа. (см.рис.2)

Поршневая модель нам нужна для того, чтобы визуализировать теоретическую математическую тригонометрическую функцию «синус» в наглядные линейные перемещения физического поршня, генерирующего звуковую волну в разных её фазах.

рис.2
рис.2

Рис.2. Схема поршневого генератора звука с синусоидальной волной.

Так в поршневой модели мы легко определяем некоторые параметры звуковой волны.

Частота волны (Гц) — это количество оборотов вала кривошипа за одну секунду, то есть 1Гц= 1 об/с

Амплитуда волны (геометрическая)‑ размах колебания поршня от начального положения до конечного при повороте кривошипа на 180 градусов (половина оборота), и как любая длина измеряется в метрах (м).

Длина волны (L) — производная величина от деления скорости распространения звука Va (м/с) на частоту звука f (Гц)

L= Va/f

Длина волны связана только с режимом работы кривошипного механизма (частота вращения вала), и не связана с геометрическими параметрами самого механизма.

При рассмотрении процесса генерации волны для нас будут интересны некоторые производные параметры при работе кривошипно‑шатунного механизма (далее КШМ).

Таким параметром будет максимальная скорость поршня Vп‑мах, которая зависит от угловой скорости кривошипа W и длины самого кривошипа Lк, из чего получаем зависимость:

Vп-мах =W*Lк

Параметр Vп‑мах позволяет определит максимальную величину изменения давления в звуковой волне (Рв) от существующего постоянного уровня давления атмосферы (Рат)

Так при постоянной скорости движения поршня Vп и постоянной скорости распространения звука Vа объём воздуха между поршнем и фронтом звуковой волны будет иметь переменную во времени длину:

Lв-з=(Va-Vп)*Т

При этом пройденная звуком длина составит величину:

Lв=Va*Т

То есть расстояние Lв‑з будет меньшим, чем пройдённое звуком расстояние Lв от неподвижной базы КШМ.

Разница объёмов воздуха на длинах Lв и Lв‑з даёт нам показатель максимального геометрического сжатия воздуха в такой волне.

Ксж= Lв /Lв-з= Va*Т/((Va-Vп)*Т)= Va/(Va-Vп)

Такую же величину относительного сжатия элементарного объёма воздуха над плоскостью крыла самолёта я получал в расчётах подъёмной силы плоского крыла сверхзвукового самолёта. (см.статью Объяснение физической сущности явления «Подъёмная сила Крыла» без использования уравнения Бернулли)

Звуковое давление

Звуковое давление нормируется через ощущение силы звука, а числено выражается в децибелах (дБ) от некого нулевого порога слышимости (см.рис.3). При этом усиление силы звука в 10 раз соответствует увеличению значения на 10дБ. То есть шкала силы звука‑ это степенная функция.

Согласно данным о слышимости звуков порог чувствительности человеческого уха по интенсивности звука лежит на величинах избыточного давления Рмин=20мкПа (20дБ).

20мкПа=20Па/10^6

Шум тихой ночью 20дБ, а при более низкой интенсивности фонового звука вокруг человека возникает тревожность, так как человек начинает слышать звуки изнутри самого себя ( слышно шум тока крови по сосудам в ухе).

Болевой порог наступает при шуме выше 120дБ. (см.рис.3)

Так как каждые 10дБ прибавляют давление звуковой волны в 10 раз, то звук в 120дБ будет создавать давление в 10^10 выше порога слуха:

Рмах=Рмин*10^10 =20*(10^-6)* 10^10=20*10^4=200кПа

200кПа=2атм, что равно избыточному давлению при погружение в воду на глубину 20м.

Практика ныряния показывает, что боль в ушах при нырянии в глубину при заложенных пазухах от ушей к носоглодке (насморк) наступает уже на глубинах 3–5 м. После чего аквалангист уже не может погружаться и начинает всплывать от боли в ушах.

Такая же боль наступает при полётах в самолёте, когда от насморка не удаётся выровнять давление в ушах с пониженным до 0,6 бар давлением в самолёте на высоте (0,6 бар= 6м.вод ст.)

Возможно, что знакопеременные циклические нагрузки на уши от громкого звука переносятся легче, чем постоянное растяжение избыточным давлением при погружении в воду.

Справедливость предположения подтверждается данными о действии ударной волны от взрыва.

Так разрыв лёгких наступает при избыточном давлении во фронте ударной волны всего 0,1МПа (1бар) или 194дБ, а смерть при 0,2МПа (2 бар) или 200дБ.

Получается, что избыточное давление в протяжённом фронте ударной волны не совпадает с воздействием от синусоидального давления звука, так как 0,2МПа в звуке достигается по расчёту уже при 120дБ.

рис.3
рис.3

Рис.3. Значения уровня шума в децибелах (дБ) и их физическое воплощение.

Расчёт скорости поршня звукогенератора для  заданного уровня звукового давления

Давления Рмах в звуковой волне можно однозначно связать со скоростью движения возбудителя звука через значение Ксж и формулу адиабаты, где выполняется зависимость:

 V1/V2=Ксж

Тогда отношение давлений будет иметь вид:

Р2/Р1=( V1/V2)^1,4=Ксж^1,4

Если принять расчётное избыточное давление дР=20мкПа, то Р2=Р1+дР.

Откуда получим Ксж:

  Ксж=(Р2/Р1)^(1/1,4)=(100000,00002/100000)^(1/1,4)=1+1,5/10^10

С учётом скорости звука 340м/с получим скорость поршня

Vп=340*1000*1,5/10^10=51*10^-6 мм/с

То есть порог слышимости у человека составляет колебания воздуха от чудовищно мелких по масштабу циклических процессов с частотой более 20 колебаний в секунду (20Гц).

Именно эта чувствительность уха позволяет слышать гудение крыльев мельчайших насекомых, и даже шорох падающего с дерева листа.

Скорость колебаний поршня  для получения давления  болевого порога

При болевом пороге с избыточным давлением 2бар коэффициент сжатия должен составит величину:

Ксж=(Р2/Р1)^(1/1,4)=((2+1)/1)^(1/1,4)=2,19

Тогда скорость поршня в прямом ходе равна:

Vп= Va -(Va/Кcж) =340-340/2,19=185м/с

При обратном ходе звуковой волны геометрическое изменение объёма от хода поршня имеет ту же величину объёма как и на прямом ходе, но кратность изменения давления вверх и кратность вниз имеют различную абсолютную величину от базового уровня 1 бар.

Так при ходе поршня назад скорость поршня Vп становится отрицательной, при этом по модулю оставаясь такой же Vп=185м/с.

Тогда  для обратного хода в формуле:

Краз= Va/(Va-Vп)=340/(340-(-185))=0,648

При этом давление Р3= Р1*Краз^1,4= 1*0,648^1,4=0,545 бар

То есть нижний уровень давление в волне разрежения составит всего Рраз=0,545 бар.

Получается, что абсолютное давление в положительных полуволнах поднялось на 2 бар, а в отрицательных полуволнах опустилось всего на 0,455 бар (см.рис. 4).

То есть в идельном поршневом КШМ совершенно не одинаковы уровни давления разряжения и сжатия.

Таким образом, для толкания волны вперёд в КШМ требуется прилагать много больше силы, чем возвращается на обратном ходу.

Именно эта неравновесность циклов сжатия и разрежения определяет затраты энергии на генерацию звуковой волны.

рис.4
рис.4

Рис. 4. Наглядное изображение зон уплотнение и растяжения слоёв воздуха от поршня на постоянной скорости Vп=0,5*Vа, где зона сжатия (растяжения) сопоставима с ходом поршня, как на прямом ходу, так и на обратном. Избыточное давление в  фронте +2 бар, разрежение -0,45 бар. Размер молекул в отношении к зазорам на рисунке показан приблизительно в 3 раза больше (в целях наглядности изображения), чем в воздухе при  давлении 1бар.

Что именно  в нашей жизни невыносимо громко шумит?

Интересно сравнить скорость поршня звукогенератора Vп=185м/с с чем‑то осязаемым и понятным.

Так скорость 185м/с имеют концы лопастей тяговых винтов самолёта АН-2 на средних оборотах двигателя.

Так как интенсивность звука на заданной частоте зависит именно от скорости генерирующей поверхности, то понятно, почему рядом с винтовыми самолётами так шумно и громко, аж до боли в ушах.

Частотный спектр шума от воздушного винта самолёта Ан-2 составит интервал 23–108Гц, при частоте вала 345–1615 об/минуту и 4-х лопастях воздушного винта.

Правда, форма кривой звука винта не идеально синусоидальная, а пилообразная, с резким фронтом давления.

23Гц — это глухой тяжёлый рокот на холостых.

108Гц — низкий вибрирующий звук на полных оборотах.

Ну, а концы лопастей винта Ан-2 будут иметь скорости: 65 м/с на холостых и 304м/с на максимальны оборотах соответственно.

То есть в мороз минус 50С ( когда скорость звука всего 299м/с) концы винта Ан-2 на полном газу становятся сверхзвуковыми и начинают резать ухо ударной сверхзвуковой волной.

Скорость фронта звуковой волны и скорость частиц внутри звуковой волны

Звуковые волны одна за одной удаляются от источника звука с постоянной скоростью. Но массы воздуха в целом при этом никуда не двигаются, оставаясь на одном месте в среднем за цикл колебания.

Частота колебания источника волны так же никак не связана со скоростью звука.

Вопрос в том, по каким законам движутся отдельные частицы воздуха при прохождения через них звуковой волны?

Мы знаем, что возбуждающая звук машина работает строго по закону Sin(t).

Следовательно и все остальные частицы в составе волны должны подчиняться этому же закону с какими‑то поправочными коэффициентами.

В рамках кругового процесса с нулевым перемещением за цикл каждая частица совершает перемещение по прямой туда‑обратно, также по закону Х= К*cos(t).

На длине волны скорость частиц в волне подчиняется закону V=dX/dT, то есть скорость равна производной от функции перемещения поршня.

При этом перемещение и скорость связаны общей функцией по виду, но со сдвигом фазы.

Распределение плотности по длине волны в воздухе строго привязано к давлению, то есть так же подчиняется закону «синуса‑косинуса».

Все эти рассуждения привели к чудовищному нагромождению тригонометрических функций и их производных, при этом качественной понятной картинки получить из них пока не удалось. Хотя сами функции давно теоретически описаны в учебнике (см.рис.5-а‑б)

https://siblec.ru/estestvennye-nauki/volny#1.2.5

 

рис.5-а
рис.5-а
рис.5-б
рис.5-б

Рис. 5-а-б. Фрагмент учебника «Волны» по теме звуковых волн в газах. Функции амплитуд и скорости молекул в звуковой волне.

Согласно данных формул можно рассчитать скорость молекул и ход поршня звукогенератора для нескольких крайних случаев:

1) 1кГц с низкой амплитудой обычных голосовых связок где ход составляет 2мм.

Циклическая частота w=2*3,14*1000=6,28*1000

V=0,002*6,28*1000=12,56м/с

2) В тоже время для предельного случая 100Гц с максимальной амплитудой при 120дБ и избыточным давлением 2бар от винта со скоростью лопасти V= 185м/с.

Циклическая частота составит:

w=2*3,14*100=6,28*100

Если скорость звукогенератора составляет V=0,54*Vа=185м/с, то теоретический  синусоидальный ход условного поршня должен составить величину: А=185/(6,28*100)=0,29м.

Смена модели синусоидального звукогенератора на поршень постоянной скорости

Для получения качественного понимания максимальной скорости молекул воздуха в волне звука имеет смысл сменить модель звукогенератора от синусоидального кривошипа на поршень с постоянной скоростью.

В качестве механической модели для генератора «трапецевидной» волны хорошо подходит тот же поршень, только вместо кривошипного‑шатунного привода у него транспортёрно‑шатунный привод.

В «транспортёрно‑шатунном механизме» (ТШМ) вместо кривошипа используют ленточный транспортёр на двух цилиндрических валах.(см.рис.6)

В этом случае циклограмма движения поршня состоит из кусков синусоиды на подъёмах‑опусках «трапециевидного» графика и горизонтальной части полок «трапеции» во время прохода конца шатуна по прямой части транспортерного механизма.

Если сделать ТШМ с большим количеством валков, то можно получить весьма замысловатые ступенчатые графики волны.

рис.6
рис.6

Рис.6. Схема поршневого генератора звука: А- с синусоидальной волной, Б- двухвалковый ленточный привод поршня со ступенчатой волной, В- четырёхвалковый ленточный привод поршня с  многоступечатой волной.

На горизонтальных полках ступенчатого графика локальная частота звука равна нулю, а поршень двигается с постоянной скоростью Vп=const, создавая перед собой слой воздуха постоянного давления. При этом слой постоянного давления увеличивает свою толщину со скоростью (Vа‑Vп) от удаляющегося со скоростью звука Vа фронта волны.

В этой модели на горизонтальных «полках» графика исчезает функция «синус» вообще, а модель становится квазистатичной относительно поршня.

Так получается, что сжатый слой воздуха перед поршнем является звуковой волной нулевой частоты, при этом давление воздуха постоянно на всей толщине сжатого слоя воздуха, и как следствие скорость молекул в сжатом воздухе равна нулю относительно поршня.

Такие типы звуковой волны с протяжённым объёмом постоянного давления имеют реализацию в жизни. Их называют «прямоугольными» или «квадратными» звуковыми волнами (см.рис.7)

Рис.7. Периодические волны различной формы.

На протяжении горизонтальной полки квадратной волны давление между молекулами одинаковое, а сами молекулы двигаются совместно с одинаковой скоростью.

То есть выполняется равенство: Vп=Vм

Единственное место, где скорость меняется‑ это фронт волны.

Но и на фронте волны закономерность разгона связана с законом разгона поршня на приводном валке от нуля до Vп=const.

Получается, что и в фазе разгона молекулы двигались со скоростью самого поршня в начальной фазе разгона.

Чем больше амплитуда волны (большее избыточное давление), тем более высокую скорость должен иметь поршень (возбудитель колебаний), и тем большую скорость молекул он будет создавать по направлению движения волны в цикле колебания.

Реальные механические возбудители звука не могут давать идеально прямоугольную форму волн, а только близкую к «квадратным» звуковым волнам, так как разгон материальных тел не может быть мгновенным.

Это значит, что «вертикальная» часть кривой должна иметь ощутимый переменный наклон, делая форму волны трапециевидной с наклоном боковых граней.

Если создавать «трапециевидные» волны методом сложения идеальных синусоид разных частот, то мы получим волнистое приближение к идеальной «трапеции». (см.рис.8–9) 

рис.8
рис.8

Рис.8. Синтез почти «квадратной» волны из суммы классических «синусоидальных» волн разной частоты. Чем больше разных  синусоидальных волн суммируется, тем больше сумма похожа на «квадрат». Промежуточные итерации похожи на «трапецевидные» волны с сильно волнистыми «горизонтальными» полками.

В качестве примера суммарной «трапецевидной» волны можно представить себе вагон поезда с пассажирами.

Так горизонтальных полках трапецевидно‑волнистого графика‑ это «вагон», в котором молекулы будут двигаться с одинаково высокой базовой скоростью, как бы внутри этого одного общего вагона. Ну, а мелкую рябь будут создавать колебанием с высокими частотами и малыми амплитудами этих же молекул относительно друг друга уже внутри самого вагона.

Похожим образом обычные пассажиры едут в вагоне поезда на высоко постоянной скорости, но при этом в тоже время они могут ходить по вагону и двигаться внутри отдельных купе с относительно небольшими скоростями.

рис.9
рис.9

Рис.9.  Синтез почти «квадратной» волны из суммы классических «синусоидальных» волн разной частоты. Средний «зелёный» график состоит из суммы 7 волн с верхнего графика. Нижний «почти квадратный» график состоит из суммы 79 волн.

Скорость звука‑ так что там в ней и с какой скоростью двигается?

На примере «квадратной» волны становится очевидным, что молекулы в звуковой волне двигаются не быстрее, чем поршень звукогенератора.

Если молекулы воздуха в звуковой волне двигаются так медленно, то что именно в звуковой волне двигается со звуковой скоростью?

Оказывается, что со скоростью звука двигается только «Фазова поверхность» в фронте звуковой волны.

То есть двигается не сама материя молекул, а состояние напряжения упругой среды вокруг материи молекул.

И тут начинается совпадение физических объяснений звука в воздухе с объяснением звука в твёрдых телах, которыми занимается раздел науки с названием «Физика твёрдого тела».

Не смотря на совпадение модельного подхода в объяснении работы газов и упругих твёрдых тел, тем не менее, считается, что устройство газов объясняет «Кинетическая теория газов» (далее КТГ). Так в КТГ заявляется, что в газах нет никаких упругих дистанционных сил между молекулами газа, а все взаимодействия осуществляются при физическом упругом контакте в момент столкновения молекул газа.

Именно по КТГ рассчитывается тепловая скорость движения молекул газа, которая превышает 480м/с в комнатных условиях, или в 1,4 раза больше скорости звука Vа=340м/с в воздухе этого же помещения.

Только одно это весьма значительное отличие тепловой скорости движения молекул газа от скорости звука в газе должно было разрушить КТГ как легитимную теорию!

Но «учёные» данное противоречие в КТГ игнорируют, а КТГ продолжают преподавать и изучать как достоверную теорию.

Физика твёрдого тела

Существует отдельный раздел физики, посвящённый свойствам твёрдых кристаллических тел.

Этот раздел физики называют «Физика твёрдого тела» (далее ФТТ).

Согласно ФТТ считается, что отдельный атом как бы зафиксирован на упругих пружинках относительно соседних атомов кристаллической решётки (см.рис. 10).

рис.10
рис.10

Рис.10. Фрагмент страницы учебника «Физика твёрдого тела», где  рассматривается модель устройства упругой пружинной подвески  атома в кристаллической решётке вещества. Именно такие объяснения приводятся в учебнике ФТТ, который я нашёл в открытом доступе в интернете (см. по ссылке)

При этом вычисляется жёсткость этих пружинок на уровне около 25Н/м.

Это огромная величина, если пересчитать на микроскопический размер и массу отдельного атома.

Так же постулируется скорость звука в твёрдых телах (ТТ) на уровне:

Vт=(Е/q)^0,5

Где Е- модуль упругости твёрдого тела, q- плотность вещества твёрдого тела.

Далее вычисляется теплоёмкость кристаллического тела по уравнениям газовой динамики (см.рис.11-12)

рис.11
рис.11

Рис.11. Фрагмент страницы учебника «Физика твёрдого тела», где  рассматриваются механизмы устройства идеального газа для переноса их в ФТТ.

 

рис.12
рис.12

Рис.12. Фрагмент страницы учебника «Физика твёрдого тела», где  рассматриваются различия расчётных значений  теплоёмкости для идеального газа и кристаллических тел с упругим подвесом молекул в решётке.

Последний фрагмент текста (см.рис.12) нельзя пропустить просто так, то есть без обсуждения заявленных тезисов.

Так получается по тексту учебника, что в упругой пружинной подвеске атомов твёрдого тела имеется сразу две энергии : кинетическая (скорость) и потенциальная (сжатая пружина).

И на этом основании делается вывод, что эти две энергии дают удвоение энергосодержание в кристалле по сравнению с газом (где пружин нет).

Но у меня вопрос: Разве совпадают по времени максимальное сжатие пружины и максимальная скорость молекул в кристалле?

На мой взгляд, при максимизации одной составляющей другая обнуляется, а их сумма всегда равна Единице, а не Двойке.

Тем более, что в газе по КТГ скорость молекул и их кинетическая энергия (=тепловая энергия) всегда постоянна, и никогда не бывает половинной (как это заявлено для ТТ). Краткий миг соударения молекул не учитываем, так как и в теории КТГ его не выделяют по времени никак.

Получается, что автор учебника совершил явную подтасовку в последних строках на 57 стр. (см.рис.12).

В реальности у одноатомного газа и ТТ будет одинаковая энергия на каждую степень свободы, то есть кТ/2,

при этом сумма энергий атома по трём направлениям по ФТТ должна составить:

Еполн= 3*кТ/2=кТ*3/2

То есть никак не 3кТ , как пишет автор учебника.

Но если разрыв в 2 раза в теплоёмкостях кристаллов над газами присутствует на самом деле (так оно и есть по факту), то это значит, что в ТТ присутствует предварительное сжатие пружин атомной подвески какими-то дополнительными структурирующими силами. А вот эти дополнительные структурные силы почему-то в ФТТ никак не рассматривают.

У меня только один вопрос к авторам учебников по физике:

Авторы учебников в принципе не проверяют свои выводы и формулы на логику?

Или желание подогнать теоретические выкладки под известный ответ превышают порог совести учёного?

В одной из предыдущих статей я нашёл противоречие в справочных данных по тяге ракетных двигателей с заявляемой РАСЧЁТНОЙ скоростью истечения из критического сечения по формулам теоретического раздела того же учебника.

Там необходимый импульс тяги (справочный) создавался на расчётной скорости в случае истечения газов из КС ЖРД только если газ в струе был бы с большей плотностью, чем в камере сгорания. А это НЕВОЗМОЖНО!

Статья про ЖРД по ссылке.

https://habr.com/ru/articles/699564/

Звук в воздухе- это продольная  волна в упругой среде

Ниже приведён фрагменты из учебника.(см.рис.13) и методички из интернета.(см.рис.14.), где в одном изображении сведены все необходимые формулы для расчёта скорости звука в «упругом» твёрдом теле и скорости молекул в «неупругом» воздухе по КТГ.

рис.13
рис.13

Рис.13. Фрагмент методички из интернета, где расчёт скорости звук в газе производится из адиабатической жёсткости газа, подобно скорости звука в  твёрдых телах по ФТТ. При этом модуль  объёмной упругости газа К не определён через понятные физические параметры газа.

 

рис.14
рис.14

Рис.14. Фрагмент методички из интернета, где расчёт скорости звук в газе производится из адиабатической жёсткости газа, подобно скорости звука в  твёрдых телах по ФТТ. В этом случае модуль  объёмной упругости газа определён в явном виде К=k*P, то есть определён через понятные физические параметры газа, что для воздуха в нормальных условиях составит К=1,4*100000=140кПа. При этом в явном виде замечают, что скорость звука «немного меньше» средней скорости хаотического теплового движения молекул газа. Я не знал, что различие значений в 1,4 раза или на 40% -это считается «немного» для учёных-физиков.

Рассчитаем скорости звука для газа из модуля упругости газа, подобно звуку в твёрдых телах по ФТТ.

Подставим известные значения  реального воздуха в выше указанные формулы:

Vа=(1,4*100000/1,2)^0,5=341м/с

БИНГО!!!

Идеальное попадание расчётного значения скорости звука для упругого газа в экспериментально полученное и широко известное значение скорости звука в воздухе!

Собственно никто особо и не скрывает тождественность формул скорости звука для газа и твёрдых тел (см. рис.15.)

рис.15
рис.15

Рис.15. Фрагмент методички из интернета, где расчёт скорости звук в газе производится из адиабатической жёсткости газа, подобно скорости звука в  твёрдых телах по ФТТ.

Внезапно выясняется, что формулы для неупругого газа по КТГ с хаотическими ударами  абсолютно упругих молекул совпадает с формулой для упругих твёрдых тел.

При этом выполняется равенство:

к*Р=Е

где Е‑ модуль упругости твёрдого тела.

То есть в данном расчёте модуль упругости твёрдого вещества с параметрами от воздуха равен упругости газа в адиабатическом процессе.

Выходит, что газ — это УПРУГАЯ СРЕДА в момент пропускания звука!!!

А разве в остальных случаях воздух не является упругим?

Вроде бы как внутри шин автомобиля и в футбольном мяче воздух вполне себе упругий!

Выводы и заключения

  1. Физика твёрдого тела использует в качестве модели твёрдого тела системы из упруго подвешенных на пружинках шариков, при этом расчётные формулы для таких «твёрдых тел» тождественны к формулам «идеального газа».

  2. Физика считает, что по КТГ (кинетической теории газа) «идеальный газ» — это абсолютно упругие шарики, которые стучат друг по другу и стенкам сосудов без потери энергии при соударении, при этом скорость этих шариков сопоставима со скоростями ружейной пули, а именно: 480м/с для воздуха в нормальных условиях при давлений воздуха Р=1бар, температура Т=293К (Тс=+20С). Вот только свойства реальных газов, такие как «теплопроводность» и «скорость звука», никак не вписываются в КТГ, опровергая КТГ как адекватную реальности теорию.

  3. Если формулы одинаковы для якобы абсолютно разных по строению веществ, то может быть и механизмы функционирования этих веществ тоже одинаковы?

  4. Может тогда имеет смысл рассматривать идеальные газы как «Упругую среду», где мелкий массивные атомы газа подвешены на пружинках взаимного отталкивания, то есть почти как и в «твёрдых телах»? При этом молекулы газа вовсе не носятся как безумные резиновые пули, а почти неподвижно висят на пружинках взаимного отталкивания, слегка колеблясь при передаче звуковых волн. (см. статью по ссылке)

  5. При передаче звука по воздуху скорость молекул в колебательном процессе не превышает скорость тел, возбудивших звуковую волну в воздухе. То есть даже при передаче самых сильных звуков со скоростью звука молекулы воздуха имеют скорости кратно меньше скорости звука, а также много меньше расчётных тепловых скоростей молекул газа по КТГ.

Tags:
Hubs:
Total votes 17: ↑6 and ↓11-3
Comments158

Articles