Vật lý - Tốc độ âm thanh và cách âm thanh truyền đi

 

"Tốc độ âm thanh và cách âm thanh truyền đi"

Giới thiệu

Video này giải thích về cách sóng âm thanh truyền đi dựa trên một thí nghiệm tưởng tượng với một thanh thép nối giữa Trái Đất và Mặt Trăng.

Thí nghiệm tưởng tượng

Giả sử một thanh thép dài nối giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Nếu ta dịch chuyển một đầu thanh thép 1 mét, thì đầu thanh thép ở Mặt Trăng sẽ dịch chuyển sau một khoảng thời gian chứ không phải tức thì. Điều này xảy ra vì tác động không truyền tức thì qua thanh thép mà truyền qua sự va chạm của các nguyên tử.

Tốc độ âm thanh

Cách âm thanh truyền đi: Âm thanh truyền qua sự va chạm giữa các nguyên tử, giống như một phản ứng dây chuyền.
Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào vật liệu: Tốc độ âm thanh trong thép khác với tốc độ âm thanh trong gỗ. Ví dụ, tốc độ âm thanh trong thép khoảng 5,8 km/s, trong khi trong gỗ thì chậm hơn.
Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ: Video nói rằng tốc độ âm thanh còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường truyền âm.

Âm thanh là sóng

Sự truyền sóng: Sự dịch chuyển của các nguyên tử trong vật liệu, tạo ra một sóng.
Sóng âm thanh không phải vật chất: Âm thanh không phải là một vật thể mà là sự lan truyền của lực hoặc chuyển động. Khi chúng ta nghe một âm thanh, chúng ta đang nghe chuyển động mà một vật thể tạo ra hoặc cách vật thể đó tác động đến các phân tử không khí xung quanh.

Ý tưởng chính

Video này nhấn mạnh rằng âm thanh không truyền di chuyển tức thời mà cần thời gian để truyền qua các vật thể, bởi vì tác động không lan truyền tức thì, mà là lan truyền qua các nguyên tử/phân tử trong môi trường.

So sánh và ví dụ

Thanh thép trong thí nghiệm tượng trưng cho không khí.
Phản ứng dây chuyền của nguyên tử thể hiện sự lan truyền của sóng âm thanh trong không khí.

Kiến thức được trình bày

Video nêu rõ 5 ý tưởng chính cho ta hiểu hơn về sóng âm và sóng nói chung:

Sóng âm là sự va chạm của các nguyên tử hoặc phân tử không khí với nhau.
Sóng có thể truyền đi rất xa, tuy nhiên bản thân các nguyên tử chỉ di chuyển một khoảng cách ngắn.
Sóng truyền đi với tốc độ âm thanh, và tốc độ này phụ thuộc vào vật liệu.
Các sóng liên tiếp trong cùng một môi trường truyền với tốc độ âm thanh, vì vậy một sóng không đuổi kịp sóng tiếp theo.
Sóng âm không phải là một đối tượng như một thanh thép, một cái bàn gỗ hoặc các nguyên tử không khí, mà là sự lan truyền của lực hoặc chuyển động.

https://www.youtube.com/watch?v=1kjAkuwYx2M

Tốc độ âm thanh & Âm thanh truyền như thế nào? Hiểu biết cơ bản - YouTube

Âm thanh truyền như thế nào?
Tác giả: Branch Education

Mỗi giây tỉnh thức trong cuộc sống, chúng ta nghe thấy sóng âm ở khắp mọi nơi. Từ tiếng vo ve của quạt cho đến tiếng gõ bàn phím, sóng âm tràn ngập cuộc sống của chúng ta. Nhưng làm thế nào chúng truyền đi khắp thế giới xung quanh? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta sẽ tham gia vào một thí nghiệm tư duy.

Hãy tưởng tượng chúng ta có một thanh thép dài đạt đến khoảng cách 384.402 km từ bề mặt Trái đất đến bề mặt Mặt trăng. Rõ ràng, đây là một thanh thép rất dài mà không thể tồn tại trong thực tế, nhưng giả sử trong thí nghiệm tư duy này, nó có thể. Vậy câu hỏi đặt ra là: nếu chúng ta nâng đầu thanh thép ở phía Trái đất lên 1 mét, chuyện gì sẽ xảy ra ở đầu thanh thép phía Mặt trăng?

• Đầu bên kia sẽ di chuyển lên 1 mét ngay lập tức?
• Sẽ có một độ trễ vài giây?
• Có thể mất đến một giờ?
• Hay lâu hơn nhiều?

Thực tế, đầu thanh thép ở Mặt trăng sẽ di chuyển lên 1 mét sau 18 giờ 24 phút kể từ khi chúng ta di chuyển đầu ở Trái đất. Đây là một độ trễ rất lớn, bởi vì khi chúng ta đẩy thanh thép ở Trái đất, chúng ta không đẩy toàn bộ thanh thép dài 384.000 km cùng một lúc, mà chỉ đẩy một nhóm nguyên tử cục bộ tại đó.

Những nguyên tử ở đầu thanh thép tại Trái đất sẽ đẩy các nguyên tử liền kề, rồi đến nhóm nguyên tử kế tiếp, và tiếp tục như vậy cho đến khi chuyển động đến được đầu thanh thép ở Mặt trăng. Chuyển động này có thể được hiểu như sự va chạm liên tiếp giữa các nguyên tử. Nó không di chuyển tức thì mà mất thời gian để mỗi nhóm nguyên tử đẩy hoặc va chạm vào nhóm nguyên tử kế tiếp.

Cụ thể, trong thép, tốc độ va chạm và phản ứng giữa các nguyên tử này là 5,8 km/giây, được gọi là tốc độ âm thanh trong thép. Tốc độ này thay đổi tùy thuộc vào vật liệu. Nếu thanh thép được thay bằng gỗ sồi, thì độ trễ 384.000 km này sẽ là 27 giờ.

Điều quan trọng là: mặc dù các vật liệu như thanh thép hoặc bàn gỗ có vẻ như là một khối thống nhất, trong thực tế, lực và chuyển động cần thời gian để truyền qua các nguyên tử trong vật thể. Sự lan truyền chuyển động này giống như một phản ứng dây chuyền của các nguyên tử đẩy nhau, và tốc độ của sự lan truyền này được gọi là tốc độ âm thanh, phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ của môi trường.

Thí nghiệm khác:
Nếu chúng ta nâng thanh thép lên, rồi hạ xuống sau 10 phút, điều gì sẽ xảy ra ở đầu thanh phía Mặt trăng?
Sau 18 giờ, đầu thanh thép ở Mặt trăng sẽ di chuyển lên, và 10 phút sau đó, nó sẽ hạ xuống.

Nếu chúng ta lắc thanh thép 100 lần mỗi giây trong vòng 1 phút và dừng lại? Sau 18 giờ, đầu thanh thép ở Mặt trăng sẽ lặp lại chuyển động rung này trong 1 phút.

Kết luận:
Sóng âm thực chất là sự lan truyền lực hoặc chuyển động qua vật chất. Trong thí nghiệm này:

1. Sóng âm là sự va chạm liên tiếp của các nguyên tử hoặc hạt không khí.
2. Sóng có thể truyền đi rất xa, nhưng các nguyên tử chỉ di chuyển một khoảng ngắn.
3. Sóng di chuyển với tốc độ âm thanh, và tốc độ này phụ thuộc vào vật liệu.
4. Sóng nối tiếp nhau không vượt qua sóng trước mà luôn giữ tốc độ không đổi.
5. Sóng âm không phải là một vật thể mà là sự lan truyền của lực hoặc chuyển động.

Khi chúng ta nghe âm thanh, thực chất chúng ta đang cảm nhận sự chuyển động của các hạt không khí xung quanh, chuyển động đó được tai tiếp nhận và cảm nhận thành âm thanh.

 

The Speed of Sound & How does Sound Travel? A Fundamental Understanding - YouTube How do Sound Waves Travel? By: Branch Education Every waking second of our lives, we hear sound waves everywhere. From the hum of a fan to the clicking of your keyboard, sound waves permeate our lives. But how do they travel throughout the world around us? To answer this question, we are going engage in a thought experiment. Let’s say we have a bar of steel that reaches the 384,402-kilometer distance between the surface of the Earth and the surface of the Moon overhead. Let's be real, that's a very long bar that could never feasibly exist. but for the sake of this thought experiment let’s say it does and, that we are going to suspend all these factors. So, let’s pose this question: if we were to raise the Earth side of the bar by one meter, what would happen to the far Moon end of the bar? Would it move a meter instantly? Would there be a couple seconds delay? Possibly an hour delay? Maybe a much longer delay? As it turns out, the moon end of the bar would move one meter 18 hours and 24 minutes after we moved the Earth end of the bar. This is a massive delay and it is due to the fact that when we are pushing on the bar on earth, we are not pushing on the entire 384,000-kilometer-long bar at once, but rather we are just pushing on this localized group of atoms here. These atoms at the Earth end of the bar push on their adjacent atoms, and then to the next group of atoms up the bar and so on, all the way until this pushing reaches the moon. This pushing can also be thought as a bouncing of atoms and it does not travel up the bar instantaneously but rather it takes time for one group of atoms to push or bounce into the next group of atoms. Specifically, in steel this rate of bouncing and reacting to the adjacent atoms travels up the bar at a rate of 5.8 kilometers per second. This speed is considered the speed of sound in steel and it varies depending on the material. If the bar were made of oak, the 384,000 kilometer long delay would be just under 27 hours. That’s a long time, but eventually the motion would get to the moon. The point is that although materials like a steel bar, or a wooden table look to be a coherent single object and thus one would expect the entirety of the object to move instantly all at once; in reality forces and movements takes time to travel throughout the many atoms in an object. This travelling of movement, or propagation can be thought of as a chain reaction of atoms pushing or bouncing into one another. The speed of this propagation is called the speed of sound, and it is dependent on the material or medium that the motion passes through. It is also dependent on the temperature of that particular medium. Now, back to the thought experiment, consider what may happen if we move the steel bar differently. On Earth, let’s move the bar up, and then after 10 minutes, we move the bar back down. What will happen on the Moon? Well, similar to our previous experiment, after 18 hours, the bar will move up and then 10 minutes after that, it will move down. Now, let’s say we move the bar faster specifically up and down 100x a second for a full minute and then stop? Well again, this shaking-like motion will start at the Earth end of the bar, make its way up the bar at a rate of 5.8 kilometers per second, and after the 18-hour delay, the moon end of the bar will move in the exact same shaking motion for 1 minute. In essence forces and motions in a material do not catch up to one another, even if the forces are in the opposite direction, but rather once a motion is started, it continues up the bar at a constant speed. The propagation of this motion is called a wave. In this thought experiment, the steel bar represents the air around us, and the chain reaction of bouncing atoms up the steel bar represents the propagation of a sound wave. There are five key concepts shown in this thought experiment that will help you better understand sound waves and waves in general. The first is that sound waves are a bouncing of air atoms or particles into one another. Second, waves can travel very far, however the atoms themselves only travel a short distance. Third, waves travel at the speed of sound and these speeds are material dependent. Fourth, sequential waves in the same medium travel at the speed of sound and thus one wave does not catch up to the following wave. And finally, fifth, the coup de grace of concepts a sound wave isn’t really an object like a steel bar, a wooden table, or atoms of air but rather, a sound wave is a propagation of force or motion. When we hear something, we are in essence hearing the motion that an object makes, or how kindof that object is applying a force to the air particles around it thereby causing those air particles to bounce around and that bouncing is picked up by your ears and perceived as sound. Pretty fascinating, no? I hope you enjoyed this branch episode. Please be sure to comment, subscribe, like, and tell your friends and family about what you learned! This episode is about how sound waves travel, and branches from this episode are what are sound waves, what are the different types of waves how do your ears perceive sound, what are frequency and loudness , if sound is the movement of air particles, then what is wind isn’t that also the movement of air particles , and what is the structure of a smartphone speaker? Thanks for watching and until next time, consider the conceptual simplicity yet structural complexity of the world around us.