science >> Wetenschap >  >> Fysica

Hoe beïnvloedt de luchtvochtigheid de snelheid van het geluid?

Als je ooit hebt gezien hoe de bliksem aan de nachtelijke hemel flikkerde en vervolgens telde hoeveel seconden het duurde voordat de donder je oren bereikte, weet je al dat licht veel sneller reist dan geluid. Dat betekent niet dat het geluid ook langzaam reist; bij kamertemperatuur reist een geluidsgolf met meer dan 300 meter per seconde (meer dan 1.000 voet per seconde). De snelheid van het geluid in de lucht varieert afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de luchtvochtigheid.
Geluidsgolven

Stel je een luchtmolecule voor die door de ruimte scheurt en tegen een buurman botst, zodat ze op elkaar stuiteren als een rubber ballen. Het tweede molecuul snelt nu weg totdat het tegen een ander botst, enzovoort. Elk van deze botsingen brengt energie over van het eerste molecuul naar het tweede. Dit is hoe geluidsgolven reizen: luchtmoleculen worden in beweging gedwongen door een verstoring zoals de trilling van de stembanden in je keel, en botsingen brengen die energie over van de eerste set luchtmoleculen naar hun buren en zo verder naar buiten. Uiteindelijk draagt de golf energie over, maar dat doet er niet toe, wat betekent dat het de storing is die reist in plaats van de luchtmoleculen zelf.
Snelheid

Als je het hebt over de snelheid van het geluid, heb je het over hoe veel tijd die nodig is om de geluidsgolf of verstoring van de plaats waar het begon naar je oor te brengen. De snelheid van een geluidsgolf wordt bepaald door het medium of materiaal waardoor de golf zich verplaatst; dezelfde golf zal sneller gaan in helium dan bijvoorbeeld in lucht. Elk materiaal heeft twee eigenschappen die bepalen hoe snel het geluid doorgeeft: zijn dichtheid en zijn stijfheid of elastische modulus.
Lucht

De "stijfheid" van lucht of zijn elastische modulus verandert niet met de vochtigheid. Dichtheid doet dat wel. Naarmate de luchtvochtigheid toeneemt, neemt ook het percentage luchtmoleculen dat watermoleculen zijn toe. Watermoleculen zijn veel minder massief dan zuurstof-, stikstof- of koolstofdioxidemoleculen, en dus hoe groter de fractie lucht die bestaat uit waterdamp, hoe minder massa per volume-eenheid en hoe minder dicht de lucht wordt. Lagere dichtheid vertaalt zich in snellere geluidsgolven, dus geluidsgolven reizen sneller bij hoge luchtvochtigheid. De snelheidstoename is echter erg klein, dus voor de meeste dagelijkse doeleinden kun je deze negeren. Bij kamertemperatuur, bijvoorbeeld lucht op zeeniveau, reist geluid ongeveer 0,35 procent sneller bij 100 procent luchtvochtigheid (zeer vochtige lucht) dan bij 0 procent luchtvochtigheid (volledig droge lucht).
Andere factoren

Het effect van luchtvochtigheid op de geluidssnelheid is iets groter bij lagere luchtdrukken, zoals die u op grote hoogte ervaart. Op ongeveer 6.000 meter (20.000 voet) boven zeeniveau, bijvoorbeeld, is het verschil tussen de snelheid van het geluid in droge lucht bij kamertemperatuur met een luchtvochtigheid van 0 procent en dezelfde lucht met een luchtvochtigheid van 100 procent ongeveer 0,7 procent. Toenemende temperatuur vergroot ook het effect van luchtvochtigheid op de snelheid van geluid in lucht, hoewel de toename wederom relatief bescheiden is.