A hangsebességhez számtalan érdekes jelenség, mint például a hangrobbanás, kapcsolódik. Ismerjük meg a hangsebességet közelebbről!

A hangsebesség a hang mellett minden egyéb mechanikai hullámnak a terjedési sebességét is leírja. Szilárd testeknél például gondolhatsz arra, hogy egy ütés után pontról-pontra terjed az ütés hatása a testben. Például tenisz esetén a labda megütése után annyi idővel érezheted a kezeden az ütés hatását, amennyi idő alatt a mechanikai hullám eljut a labda helyétől a kezedig.

A hangsebesség a fénysebességgel ellentétben nem jelent határsebességet. Túl lehet lépni a hangsebességet, ami számtalan érdekességhez vezet. Például a hangrobbanás egy izgalmas jelenség. (A borítókép illusztráció, nem a hangrobbanási tölcsér, hanem páragallér látszik. A hangrobbanás szemmel nem érzékelhető.)

A hangsebesség az összes mechanikai információnak a terjedési sebessége. Az értéke függ attól, hogy milyen közegben terjed az információ, de a lényeg az, hogy maga az információ nem terjedhet gyorsabban a közegben, mint a közegben érvényes hangsebesség.

A légkörben közel állandó nyomás van az egymáshoz közeli pontokban. Amikor egy repülő megérkezik ebbe a nyugodt közegbe, akkor nyomáskülönbségeket hoz létre. (Anélkül, hogy belemennék a részletekbe, a szárny alsó és felső része közötti nyomáskülönbség tartja fent a levegőben a repülőt.) Ez a nyomáskülönbség egy mechanikai információ, ami hangsebességgel terjed.

Ha a repülő hangsebesség alatti sebességgel repül, akkor a repülő előtti levegő azelőtt „tudja”, hogy odaér egy repülő, mielőtt a repülő ténylegesen odaérne. Van egy előrehatása a repülőnek, változik a nyomás még mielőtt odaér a gép. Ehhez képest egy hangsebesség feletti sebességgel repülő gép esetén nincs előrehatás. A repülő gyorsabban halad előre, mint ahogy a repülő érkezéséről szóló információ halad. A nyugalomban lévő közeg „meglepődik”, hogy érkezik a repülő. Ennek a következtében ugrásszerű nyomásváltozás történik. A kezdeti légköri állapotokról a repülő környezetében érvényes nyomásviszonyokra ugranak a nyomásértékek. Ez a jelenség nagy hanghatással is jár, ezt halljuk hangrobbanásként.

A repülő esetén természetes is már a számunkra, hogy meghaladhatjuk a hangsebességet. Ez utasszállító repülőkkel is sikerült, vadászgépeknél meg pláne. Tehát szilárd test át tudja lépni a környezeti levegő hangsebességét. Mi a helyzet más közegekkel?

Nem biztos, hogy gondolnád, de a gázok áramlásánál is rutinszerűen átléphető a hangsebesség. Ez például rakétáknál nagyon fontos. A rakétát a kiáramló égéstermék impulzusa hajtja felfelé. Mivel az impulzus összességében a sebesség négyzetével arányos (a gázok esetén), ezért jelentős hatása van a sebesség növelésének. A technikai megoldás a Laval-fúvóka alkalmazása. Ez egy kezdetben szűkülő, majd táguló keresztmetszetű kiömlést biztosít a gáznak, ami megfelelő tervezés esetén egy folyamatosan növekvő sebességet jelent, a végén hangsebesség feletti sebességgel. (Hangsebesség alatt a keresztmetszet szűkülésével arányosan nő az áramlási sebesség, a legszűkebb keresztmetszetben van hangsebesség, a hangsebesség felett pedig a keresztmetszet tágulásával arányosan nő a sebesség.)

A következőkben összefoglaljuk, hogy hogyan lehet meghatározni a hangsebességet egy adott közegben. Itt külön kell kezelni a légnemű közegeket, amikre alapvetően eltér a hangsebesség meghatározása.

Fontos megemlíteni, hogy helyi hangsebességről beszélünk. A légnemű közegek esetén a hangsebesség egyenlő a gáz vagy gázkeverék (levegő) helyi hőmérsékletének, adiabatikus kitevőjének és specifikus gázállandójának szorzatából vont négyzetgyökkel. Az adiabatikus kitevő és a specifikus gázállandó konstans értékű. A konkrét értékeket a különböző gázokra meg lehet találni, levegő esetén 1.4 az adiabatikus kitevő és 287 joule per (kilogramm kelvin) a specifikus gázállandó értéke. A hőmérsékletet kelvinben kell behelyettesíteni a képletbe.

Végső soron egy adott pontban a hangsebesség a hőmérséklettől függ. Így például a nagy sebességű repülő orránál a magas hőmérséklet miatt nagyobb a hangsebesség, mint a környező nyugodt levegőben.

Hétköznapi szempontból persze a nyugodt levegő hangsebessége lehet érdekes. Másodpercenként körülbelül 340 métert tesz meg a hang. Ezt meg tudod figyelni villámlás esetén. A fényt szinte azonnal látod, hiszen az fénysebességgel halad, ami nagyságrenddel nagyobb, mint a hangsebesség. Ha a villanás után méred az időt, abból meg tudod határozni a villámlás távolságát. Ha többen, távoli helyekről figyelitek meg ugyanazt a villámot, akkor még akár a hangsebesség nagyságát is leellenőrizhetitek. (Házi feladat!)

Szilárd test vagy folyadék esetén úgy lehet hangsebességet számolni, hogy a rugalmassági jellemző és a sűrűség hányadosának gyökét vesszük. Szilárd testek esetén a rugalmassági modulusz (Young-modulusz) helyettesítendő, folyadékok esetén pedig a térfogati rugalmassági modulusz. Ezek szakirodalomban megtalálható jellemzők.

Acélban körülbelül 5000 métert tesz meg másodpercenként a hang, vízben pedig 1500 métert. Azaz ezekben az anyagokban gyorsabb a hang, mint levegőben. Gyermekkori emlékeinket érdemes itt felidézni. Ha az indián a vonatsínre helyezi a fülét, akkor sokkal hamarabb meghallja, hogy érkezik a vonat, mint ha csak a levegőben fülelne! Persze máshogy is lehet szemléltetni a hangsebességet. Egy ilyen példát részletesen bemutattunk egy másik cikünkben.

Lehetne még tovább bonyolítani a dolgokat. Például egy acél csőben áramló vízben is viszonylag egyszerűen meg lehet határozni a hangsebességet, ami nagyobb lesz, mint a vízben ébredő hangsebesség, de kisebb, mint az acélban ébredő hangsebesség. Miért érdekes ez? Például azért, hogy megfelelően zárjuk el a csapokat.

Van egy csőrendszer és a végén egy csap. Ha megnyitjuk, vagy elzárjuk a csapot, akkor jelentősen megváltoznak a viszonyok. Például, ha hirtelen elzárjuk a csapot, akkor az áramlási sebesség lecsökken egy adott értékről nullára. De ilyenkor nem csak a sebesség csökken, hanem létrejön egy nyomáshullám is, mivel a sebesség és a nyomás kapcsolatban vannak. A nyomáshullám oda-vissza végigmegy a csövön, egyszer túlnyomást, egyszer vákuumot okozva. Ha túl gyorsan zárjuk a csapot, akkor túl nagy vákuum jöhet létre és megroppanhat a cső. A cső hosszát és a hangsebességet figyelembe véve lehet megfelelő zárási időt választani. (Részletesebben: Allievi-elmélet) Szerencsére otthon nem tudjuk olyan gyorsan elzárni a csapot, hogy ebből baj legyen, de ipari alkalmazásban erre is oda kell figyelni!

Számtalan helyen, bármelyik közegben előkerülhet a hangsebesség. Az egészen egyértelmű összefüggésektől a legmeglepőbb jelenségekig, ott áll a háttérben.