Physics Study Material for Groups Exams : ధ్వనివేగం ఎక్కువగా ఉన్న ఘనపదార్థం?
ధ్వని
● ప్రతిధ్వని: ధ్వని తరంగాలు ప్రయాణిస్తున్న మార్గంలో అడ్డు తలాలను తాకి పరావర్తనం చెందినప్పుడు వినిపించే ధ్వనినే ప్రతిధ్వని అంటారు. ప్రతిధ్వనిని వినాలంటే కింది షరతులను పాటించాలి.
1. మొదటిసారి వినిపించే ధ్వనికి, ప్రతిధ్వనికి మధ్య కనీస కాల వ్యవధి 1/10వ సెకను లేదా అంతకంటే ఎక్కువగా ఉండాలి.
2. ధ్వని జనక స్థానం, పరావర్తన తలాల మధ్య కనీస దూరం 16.5 మీటర్లు లేదా అంతకంటే ఎక్కువగా ఉండాలి.
ప్రతిధ్వని సమీకరణం
v = 2d/t
d = vt/2
v→ధ్వని వేగం(v = 330m/s)
d→ధ్వని జనకం నుంచి పరావర్తన తలానికి ఉన్న దూరం
t→ధ్వని తరంగాలు ప్రయాణించడానికి
పట్టే కాలం
● కనీస కాల వ్యవధి
t = 1/10 sec
d = vt/2, d=(330/2)× (1/10)
d =1 6.5m
అనువర్తనాలు
1. ప్రతి ధ్వనిని ఉపయోగించి బావులు, లోయ లు, గనుల లోతును కనుగొంటారు.
2. సముద్రాల లోతును కనుక్కోవడానికి ఉపయోగించే Sonar పరికరం ధ్వని పరావర్తనం ధర్మం ఆధారంగా పనిచేస్తుంది.
3. రెండు ఎత్తైన భవనాలు, పర్వతాల మధ్య దూరాన్ని కచ్చితంగా లెక్కించడానికి ఈ ధర్మాన్ని ఉపయోగిస్తారు.
4. డాక్టర్లు ఉపయోగించే స్టెతస్కోప్‌ ధ్వని పరావర్తనం(బహుళ పరావర్తనం)సూత్రం ఆధారంగా పనిచేస్తుంది. ఈ సాధనాన్ని ‘లెన్నెక్‌’ అనే శాస్త్రవేత్త కనుగొన్నాడు.
ధ్వని వేగం
గాలిలో ధ్వని వేగం: డి.సి.మిల్లర్‌ అనే శాస్త్రవేత్త గాలిలో ధ్వని వేగాన్ని కనుగొన్నాడు. గాలి, ఉష్ణోగ్రత, పీడనం, సాంద్రత, తేమ మొదలైన వాటిపై ధ్వని వేగం ఆధారపడుతుంది.
వాయువులు: వాయువులకు స్వతంత్రమైన భౌతిక, రసాయనిక ధర్మాలుంటాయి. వేర్వేరు వాయువుల సాంద్రతలు వేర్వేరుగా ఉంటాయి.
ఉదా: H2, He, Ne
గాలి: దీన్ని అనేక వాయువుల మిశ్రమ పదార్థం అని అంటారు. దీనిలో N2, O2, CO2, తేమ, జడవాయువులు మొదలైనవి ఉంటాయి.
తేమ: గాలిలో ఉండే నీటి ఆవిరి శాతాన్ని ‘తేమ’ లేదా ఆర్ధ్రత అంటారు.
పీడనం: ప్రమాణ వైశాల్యంపై కలుగజేసిన బలాన్ని పీడనం అంటారు.
పీడనం (p)= F/A
(బలం)/(ప్రమాణ వైశాల్యం)
ప్రమాణం: dyne/m2
Newton/cm2
☛Follow our YouTube Channel (Click Here)
● పాస్కల్‌ అంతర్జాతీయ ప్రమాణం.
గాలిలో ధ్వని వేగాన్ని కనుగొనడానికి కావాల్సిన సమీకరణాన్ని 16వ శతాబ్దంలో తొలిసారిగా న్యూటన్‌ ప్రతిపాదించాడు.
v = Ö(p/d)
p→ గాలి పీడనం
d→ గాలి సాంద్రత
కానీ, ఈ సమీకరణాన్ని లాప్లాస్‌ అనే శాస్త్రవేత్త సవరించాడు.
v = Ö(gp/d)
g = Cp/Cv,
Cp = స్థిరపీడనం వద్ద గాలి విశిష్టోష్ణం
Cv = స్థిరఘనపరిమాణం వద్ద గాలి విశిష్టోష్ణం
జను ఒక వాయువు 2 విశిష్టోష్ణాల మధ్య ఉండే నిష్పత్తి అంటారు.
గాలిలో ధ్వని వేగాన్ని ప్రభావితం చేసే అంశాలు
1. ఉష్ణోగ్రత: గాలిలో ధ్వనివేగం దాని పరమ ఉష్ణోగ్రత వర్గమూలానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. V µ ÖT
కాబట్టి ఉష్ణోగ్రతను పెంచితే గాలిలో ప్రయాణిస్తున్న ధ్వనివేగం కూడా పెరుగుతుంది. గాలి ఉష్ణోగ్రతను 1°C చొప్పున పెంచినప్పుడు దానిలో ప్రయాణిస్తున్న ధ్వనివేగం 0.61m/s పెరుగుతుంది. అందువల్ల ఉష్ణోగ్రత ఎక్కువగా ఉన్న వేసవికాలంలో ధ్వని వేగం కూడా ఎక్కువగా ఉంటుంది.
2. పీడనం: గాలిలో ప్రయాణిస్తున్న ధ్వనివేగం దాని పీడనంపై ఆధారపడి ఉండదు. కాబట్టి గాలి పీడనాన్ని పెంచినా లేదా తగ్గించినా ధ్వనివేగంలో ఎలాంటి మార్పు ఉండదు.
3. సాంద్రత:
న్యూటన్‌ – లాప్లాస్‌ సమీకరణం
v = Ö(gp/d) Þ v µ 1/Öd
వాయువుల్లో ప్రయాణిస్తున్న ధ్వనివేగం వాయువుల సాంద్రత వర్గమూలానికి విలోమాను పాతంలో ఉంటుంది. కాబట్టి వాయువుల సాంద్రత తక్కువగా ఉంటే ధ్వనివేగం ఎక్కువగా ఉంటుంది.
ఉదా: H2 వాయువు సాంద్రత తక్కువగా ఉండడం వల్ల దానిలో ధ్వనివేగం ఎక్కువగా (12-30m/s) ఉంటుంది.
అనేక వాయువుల మిశ్రమమైన గాలి సాంద్రత ఎక్కువగా ఉండడం వల్ల దాని లో ధ్వనివేగం 330m/sగా ఉంటుంది.
4. తేమ లేదా ఆర్ధ్రత: గాలిలో తేమశాతం పెరిగినప్పుడు గాలి సాంద్రత తగ్గుతుంది. కాబట్టి ధ్వని వేగం పెరుగుతుంది. తేమ శాతం ఎక్కువగా ఉన్న వర్షాకాలంలో ధ్వని వేగం ఎక్కువగా ఉంటుంది.
సమాన ఉష్ణోగ్రతల వద్ద వర్షాకాలం, వేసవికాలంలో ధ్వనివేగాన్ని పోల్చినప్పుడు సాంద్రత తక్కువగా ఉన్న వర్షాకాలంలో ఎక్కువగా, సాంద్రత ఎక్కువగా ఉన్న వేసవికాలంలో ధ్వనివేగం తక్కువగా ఉంటుంది.
☛ Follow our Instagram Page (Click Here)
ఘన పదారాల్లో ధ్వనివేగం
Vs = Ö(y/d)
y-యంగ్‌ గుణకం
d - సాంధ్రత (ఘన పదార్థం)
వేర్వేరు ఘన పదార్థాల స్థితి స్థాపక గుణకాలు, సాంద్రతలు వేర్వేరుగా ఉంటాయి. కాబట్టి ధ్వని వేగం కూడా వేర్వేరు ఘనప దార్థాల్లో వేర్వేరుగా ఉంటుంది. ధ్వనివేగం ఎక్కువగా ఉన్న ఘనపదార్థం ‘వజ్రం’. దీనిలో ధ్వనివేగం 12000 ఝ/టగా ఉంటుంది(గాజులో 5500m/s, స్టీల్‌లో 5000 m/s).
ద్రవ పదార్థాల్లో ధ్వనివేగం
ద్రవ పదార్థాల్లో ధ్వనివేగం VL = Ö(k/d)
k = స్థూలగుణకం లేదా ఆయతగుణకం
d = ద్రవ సాంద్రత
● నీటిలో ధ్వని వేగం ఎక్కువ(1-4-35m/s) గా ఉంటుంది.
● ఉప్పునీటిలో ధ్వని వేగం =1485m/s
ఉప్పునీటిని ‘బ్రైన్‌ ద్రావణం’ అని కూడా అంటారు. ఆరోగ్యవంతుడైన మానవుని రక్తం లో ధ్వనివేగం సుమారు 1570m/sగా ఉంటుంది.
సమాన సాంద్రతల వద్ద ఘన, ద్రవ, వాయు వుల స్థితిస్థాపక గుణకాలను ΄ోల్చినప్పుడు y > k > gp
కాబట్టి ధ్వని వేగాలను పోల్చితే vs > vl > vg
∴ ధ్వనివేగం ఘన పదార్థాల్లో గరిష్టంగా, ద్రవ పదార్థాల్లో సాధారణంగా, వాయు పదార్థాల్లో చాలా తక్కువగా ఉంటుంది.
సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగం
ఒక వస్తువు వేగం ధ్వని వేగం కంటే ఎక్కువగా ఉన్నట్లయితే దాన్ని ‘సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగం’ అంటారు.
ఉదా: జెట్‌ విమానాలు, రాకెట్లు, క్షిపణులు సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగంతో ప్రయాణిస్తాయి.
సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగాన్ని కొలవడానికి ఉపయోగించే పదం మాక్‌ సంఖ్య. ఈ పేరును ఎర్నెస్ట్‌మాక్‌ అనే శాస్త్రవేత్త పేరు నుంచి గ్రహించారు.
మాక్‌ సంఖ్య = వస్తువు వేగం/ ధ్వని వేగం
జెట్‌ విమానం సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగంతో ప్రయాణించేటప్పుడు అత్యంత శక్తివంతమైన ‘షార్క్‌ వేవ్స్‌’ను విడుదల చేస్తుంది. ఈ సందర్భంలో విని పించే ధ్వనిని ‘సోనిక్‌ బూం’ అంటారు. యుద్ధనౌకలు, జలాంతర్గాములు సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగంతో ప్రయాణించినప్పుడు ‘బౌ వేవ్స్‌’ అనే శక్తివంతమైన ధ్వని తరంగాలను విడుదల చేస్తాయి.
ధ్వనివేగం ఆధారంగా వస్తువుల వేగాలను ఐదు రకాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.
1. సబ్‌ సోనిక్‌ వేగం: ఒక వస్తువు వేగం ధ్వనివేగం కంటే తక్కువగా ఉన్నట్లయితే దాన్ని సబ్‌సోనిక్‌ వేగం అంటారు. ఈ సందర్భంలో మాక్‌ సంఖ్య ‘1’ కంటే తక్కువ.
ఉదా: బస్సు, కారు, బైక్‌ మొదలైనవి.
2. సోనిక్‌ వేగం: ఒక వస్తువు వేగం ధ్వని వేగానికి సమానంగా ఉంటే ఆ వేగాన్ని ‘సోనిక్‌ వేగం’ అంటారు. ఈ సందర్భంలో మాక్‌ సంఖ్య ‘1’కి సమానం.
☛ Join our WhatsApp Channel (Click Here)
3. సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగం: ఒక వస్తువు వేగం ధ్వని వేగానికి 1 నుంచి 5 రెట్లుగా ఉంటే ఆ వేగాన్ని ‘సూపర్‌ సోనిక్‌ వేగం’ అంటారు. ఈ సందర్భంలో మాక్‌ సంఖ్య 1–5 వరకు ఉంటుంది.
4. హైపర్‌ సోనిక్‌ వేగం: ఒక వస్తువు వేగం ధ్వని వేగానికి 5–10 రెట్లు ఉంటే దాన్ని హైపర్‌ సోనిక్‌ వేగం అంటారు. ఇలాంటి వస్తువుల మాక్‌ సంఖ్య 5–10.
5. హై హైపర్‌ సోనిక్‌ వేగం: ఒక వస్తువు వేగం ధ్వని వేగానికి 10 రెట్ల కంటే ఎక్కువగా ఉంటే దాన్ని ‘హై హైపర్‌ సోనిక్‌ వేగం’ అంటారు. ఈ వస్తువుల మాక్‌ సంఖ్య 10 కంటే ఎక్కువ.
ఉదా: 2011 జూలై 15 వరకు అమెరికా ప్రయోగించిన స్పేస్‌ షటిల్స్‌ (Discovery, Endeavour, Atlantous) ఇలాంటి వేగంతో ప్రయాణించాయి.
ధ్వని లక్షణాలు
1. ధ్వని తీవ్రత: ధ్వని తీవ్రత కంపన పరిమితి వర్గానికి అనులోమాను΄ాతంలో ఉంటుంది.
I µ a2
కంపన పరిమితి పెరిగితే ధ్వని తీవ్రత పెరుగుతుంది. దీని ప్రమాణం డెసిబుల్‌.
ఈ పదాన్ని అలెగ్జాండర్‌ గ్రహంబెల్‌ పేరు నుంచి గ్రహించారు. ఒక వస్తువు నుంచి వెలువడే ధ్వని తీవ్రతను కొలవడానికి ఉపయోగించే పరికరం ‘సౌండ్‌ మీటర్‌’. ధ్వని తీవ్రత పౌనఃపున్యంపై ఆధారపడదు. పౌనఃపున్యాన్ని పెంచినా లేదా తగ్గించినా ధ్వని తీవ్రతలో ఎలాంటి మార్పు ఉండదు.
2. స్థాయిత్వం: ఇది కేవలం పౌనఃపున్యంపై∙మాత్రమే ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్రమాణం ఏ్డ. ΄ûనఃపున్యం పెంచినప్పుడు స్థాయిత్వం పెరిగి ధ్వనులు కీచుగా ఉంటా యి. ‘టోనోమీటర్‌’ను ఉపయోగించి వస్తువు నుంచి వెలువడే∙ధ్వని స్థాయిత్వాన్ని కొలుస్తారు. స్థాయి త్వం కంపన పరిమితిపై ఆధారపడదు.
3. నాద గుణం: ఒకేసారి అనేక ధ్వనులు మనచెవిని చేరినప్పుడు వాటిని వేర్వేరుగా గుర్తించే ధర్మాన్ని ‘నాదగుణం’ అంటారు.
ఈ ధర్మం ఆయా వ్యక్తుల శృతి గ్రాహ్యతపై∙ఆధారపడి ఉంటుంది.
అనువర్తనాలు
పురుషుల కంఠస్వరం, సింహం గర్జించి నప్పుడు, ఏనుగు ఘీంకరించినప్పుడు వెలువడే ధ్వనుల్లో కంపన పరిమితి ఎక్కువగా, పౌనఃపున్యం తక్కువగా ఉంటుంది. కాబట్టి ఇలాంటి స్వరాలు ఎక్కువ తీవ్రతను కలిగి ఉంటాయి. చిన్న పిల్లలు, స్త్రీలు, దోమ స్వరాల్లో కంపన పరిమితి తక్కువగా, పౌనఃపున్యం ఎక్కువగా ఉంటుంది. అందువల్ల ఈ స్వరాలు కీచుగా ఉంటాయి.