Nếu âm thanh nhanh gấp một triệu lần - bằng vận tốc ánh sáng - con người sẽ không thể sống sót do tác động khủng khiếp của sóng âm.
Bạn đang xem: Tốc độ âm thanh và ánh sáng
Con người sẽ không thể sống sót khi vận tốc âm thanh bằng với vận tốc ánh sáng. Ảnh: Enrique Díaz/7cero
So với ánh sáng có vận tốc 300.000 km mỗi giây, sóng âm rất chậm chạp khi di chuyển trong không khí với vận tốc chỉ 0,3 km mỗi giây. Đó là lý do khiến chúng ta nhìn thấy sét trước khi nghe tiếng sấm. Vậy chuyện gì xảy ra khi vận tốc âm thanh đột nhiên tăng gấp một triệu lần, nghĩa là nhanh tương đương ánh sáng?
Khi đó, con người sẽ nghe thấy tiếng sấm cùng lúc với sét lóe lên. Tuy nhiên, sét sẽ trông rất khác thường.
Sóng âm gồm các hạt, mỗi hạt di chuyển vừa đủ để va chạm với hạt tiếp theo. Điều này tạo ra những khu vực có mật độ cao hơn và thấp hơn trong sóng, theo George Gollin, giáo sư vật lý tại Đại học Illinois. Hãy hình dung về lò xo cầu vồng [lò xo slinky] - khi món đồ chơi này di chuyển, các vòng dây liên tục chụm vào rồi lại tỏa ra. Các sóng âm cũng tương tự như vậy. Ở tốc độ thấp, sự thay đổi về mật độ không thể nhận thấy, nhưng ở tốc độ ánh sáng thì hoàn toàn khác.
"Trong cơn giông, không khí sẽ rất ẩm, sóng âm đi qua và ép chặt mọi thứ, sau đó tỏa rộng ra và áp suất hạ xuống đáng kể", Gollin nói. Áp suất tương ứng với nhiệt độ nên việc áp suất không khí giảm đột ngột sau tiếng sấm khiến không khí ẩm đóng băng. Do đó, con người sẽ nhìn thấy tia sét qua một màn sương dày gồm các tinh thể băng.
Với tốc độ cực nhanh, âm thanh trong thế giới của chúng ta sẽ thay đổi hoàn toàn. Ví dụ, giọng nói có cao độ lớn đến mức không thể nghe thấy. "Thậm chí con chó mà bạn nuôi cũng không nghe được tiếng của chủ", William Robertson, giáo sư khoa vật lý và thiên văn tại Đại học Bang Middle Tennessee, cho biết.
Các dây thanh đới của người phát ra âm thanh bằng cách tạo các sóng dừng, hoạt động giống như những sợi dây thừng nặng gắn vào tường trong phòng gym. Khi người tập lắc chúng đủ nhanh, các sóng bắt đầu dao động lên xuống mà dường như không truyền dọc theo sợi dây. Khi dây thừng bị lắc ngày càng nhanh, số lượng sóng - hay tần số - tăng lên. Tương tự, khi các sóng âm sinh ra từ thanh quản của người tăng tốc, chúng cũng tăng tần số.
Với sóng âm, tần số tăng đồng nghĩa cao độ tăng. Ví dụ, sóng âm di chuyển qua heli nguyên chất nhanh gấp ba lần khi di chuyển qua không khí. Do đó, việc hít khí heli khiến giọng nói của con người trở nên giống nhân vật hoạt hình. Nếu âm thanh tăng tốc gấp một triệu lần, kết quả sẽ ấn tượng hơn nhiều.
Nhạc cụ của các dàn nhạc cần thiết kế lại nếu vận tốc âm thanh tăng một triệu lần. Ảnh: Robert Catto
Dàn nhạc sẽ chịu ảnh hưởng vô cùng thảm khốc, Robertson nhận xét. Các nhạc cụ hơi hoạt động tương tự dây thanh đới ở người, âm thanh chuyển động qua lại bên trong khoang của kèn oboe hoặc trumpet, từ đó tạo ra sóng dừng. Con người sẽ phải thiết kế nhạc cụ hơi dài gấp một triệu lần để giữ cho chúng đồng điệu với đàn violin và cello. Nguyên nhân là khi vận tốc âm thanh truyền đi trong không khí thay đổi, vận tốc truyền trong dây vẫn giữ nguyên.
Tuy nhiên, con người không thể sống sót để trải nghiệm những thay đổi ấn tượng này vì chỉ một tiếng sáo nhẹ cũng sẽ khiến mọi thứ xung quanh nổ tung thành nhiều mảnh.
Ánh sáng truyền đi trong các sóng điện từ, chúng không cấu tạo từ vật chất. Nhưng sóng âm lại gồm các hạt va chạm với nhau. Một phân tử di chuyển với vận tốc ánh sáng sẽ có năng lượng gần như vô hạn, Gollin cho biết. Nó sẽ thổi tung mọi hạt mà nó chạm trán, khiến các electron văng đi, đồng thời tạo ra một "cơn mưa" vật chất và phản vật chất - loại hạt sinh ra trong những vụ va chạm tốc độ cực cao và mang đặc tính trái ngược với vật chất. "Các tác động khi đó sẽ vô cùng ngoạn mục", Gollin nhận định.
Vận tốc âm thanh là gì? Tốc độ âm thanh trong không khí là bao nhiêu? Những nhà vật lý đã lí giải hiện tượng này như thế nào? Ở đây, bài viết này của new.edu.vn sẽ cung cấp cho bạn những điều thú vị về vận tốc âm thanh cũng như cách tính toán tốc độ của âm thanh mà có thể bạn chưa biết.
Xem thêm:
1. Khái niệm Vận tốc âm thanh
Vận tốc của âm thanh thực ra là tốc độ truyền đi của một sóng âm thông qua một môi trường nhất định, trong một khoảng thời gian xác định. Âm thanh tự nó là một cảm giác được tạo ra trong não bộ của con người để phản ứng với các giác cảm từ tai trong.
Vận tốc này biến động phụ thuộc vào môi trường mà âm thanh truyền qua. Nó thay đổi tùy theo độ đàn hồi, cũng như khối lượng riêng từ mỗi loại môi trường, cụ thể là mật độ và nhiệt độ. Khi môi trường truyền âm càng lý tưởng, tốc độ truyền âm càng nhanh và ngược lại. Điều này mang hàm ý rằng vận tốc âm thanh trong môi trường chất rắn sẽ tốc độ hơn so với trong nước, còn chậm chất là truyền âm qua không khí.
2. Tốc độ âm thanh trong không khí là bao nhiêu?
Biết được vận tốc âm thanh là gì thì cũng cần trả lời câu hỏi: tính toán vận tốc đó ra sao? Lấy một môi trường quen thuộc nhất với chúng ta là không khí, các nhà khoa học ước tính được, ở mức nhiệt độ 20ºC [68ºF], thì vận tốc âm thanh rơi vào con số 343m/giây. Và để có phép tính chuẩn xác, new.edu.vn cung cấp cho các bạn thông tin về vận tốc của âm thanh như sau:
Vận tốc âm thanh theo hệ đo lường bằng métTại môi trường không khí:
Vận tốc âm thanh = 12348 km/h
Vận tốc âm thanh = 1,2348 km/s
Vận tốc âm thanh = 0,343 m/h
Vận tốc âm thanh = 343 m/s
So sánh với vận tốc trong các môi trường nước và rắn thì con số vận tốc tăng tới 15 lần [1481m/s – môi trường nước [nhanh hơn khoản 4,3 lần]; đạt tới 5120 m/s nếu truyền âm qua sắt [tốc độ cao gấp 15 lần].
Vận tốc âm thanh theo hệ đo lường của Anh/Mỹ, hàng hảiVận tốc âm thanh = 0,231 mph
Vận tốc âm thanh =767,269 mps
Vận tốc âm thanh = 1125,328 ft/h
Vận tốc âm thanh = 4051181,1 ft/s
Vận tốc âm thanh = 666739 knot
3. Sự tác động từ đặc điểm môi trường đến vận tốc âm thanh
Mặc dù những con số cho chúng ta biết sự khác nhau trong tốc độ truyền âm thanh qua mỗi môi trường tương ứng, nhưng về mặt vật lý, thực chất vì sao vận tốc âm thanh lại chịu sự tác động từ đặc điểm môi trường?
Thực chất, tốc độ truyền đi của âm thanh và đặc tính, tính chất của môi trường nó truyền qua có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Cụ thể, khi một dao động âm được truyền đi làm các hạt phân tử cấu tạo trong môi trường đó chuyển động quanh trạng thái cân bằng vốn có. Khi một hạt cấu tạo bất kì đi lệch ra quỹ đạo cân bằng thì các hạt phân tử khác sẽ tác động để đưa nó quay lại vị trí ban đầu.
Hiện tượng này nghĩa là đặc tính cấu tạo của các môi trường có khả năng phản kháng lại trạng thái mất cân bằng đó. Các môi trường chúng ta đề cập tới ở đây là nước, không khí và chất rắn, mỗi môi trường sở hữu trạng thái phân tử không giống nhau, kéo theo khả năng chống lại khác nhau. Môi trường nào có kết cấu phân tử mạnh, khả năng dao động truyền qua cao thì vận tốc âm thanh cũng đạt tốc độ tốt hơn.
4. Vận tốc âm thanh dạng siêu thanh
Nhắc tới vận tốc âm thanh, không thể bỏ qua vận tốc siêu thanh, dạng âm thanh sở hữu tần số cao hơn mức nghe được của tai chúng ta.
Cụ thể, vận tốc siêu thanh trong điều kiện không khí thường lớn hơn hoặc bằng Mach 1 [343m/giây]. Và khi tốc độ của âm thanh đạt ngưỡng quá Mach 5 thì người ta gọi hiện tượng vật lý đó là cực siêu thanh, vận tốc hơn mức bình thường 5 lần.
Một số vật thể được xếp vào tốc độ âm thanh dạng siêu thanh có thể kể đến máy bay chiến đấu, tàu vũ trụ, hay độ bay của đạn bắn ra từ hầu hết các khẩu súng đều là siêu thanh.
5. So sánh tốc độ âm thanh với tốc độ ánh sáng
Dựa theo các nghiên cứu khoa học và vật lý từ trước tới nay, vận tốc cực kỳ nhanh của ánh sáng đạt con số 300 nghìn km mỗi giây. Có thể dễ dàng nhận thấy, vận tốc âm thanh như đã có ở trên, là chậm hơn rất nhiều khi đặt vào bàn cân với ánh sáng. Đây cũng là câu trả lời cho việc mỗi khi trời xuất hiện sấm sét thì thứ ta cảm nhận được đầu tiên là ánh sáng từ tia sét, rồi sau đó mới tới tiếng sấm.
Toàn bộ là những thông tin được new.edu.vn tổng hợp và cung cấp đến bạn đọc nhằm trả lời cho câu hỏi vận tốc âm thanh là gì, cũng như tốc độ âm thanh truyền đi trong không khí là bao nhiêu. Mong rằng những chia sẻ trên đều hữu ích và thú vị đối với mọi người.