De snelheid van het geluid

De snelheid van het geluid
Hoe snel gaat geluid eigenlijk? Uit ervaring weet je dat het heel snel gaat. Als je met
andere mensen praat, dan hoor je meteen wat ze zeggen. Toch weet je ook dat geluid
tijd nodig heeft om afstand te overbruggen. Kijk en luister maar eens goed naar een
heipaal, zo’n paal die ze in de grond slaan (‘heien’ heet dat) om bijvoorbeeld huizen op
neer te zetten:
Afbeelding 1: heien
Als je goed oplet, dan hoor je de slag van de heimachine altijd net even nadat je de slag
hebt gezien. Het geluid heeft dus een beetje tijd nodig gehad om je oor te bereiken.
In de lucht waarin wij leven gaat geluid heel snel, wel zo’n 1200 kilometer per
uur. Dat is dus tien keer zo snel als een auto. Maar geluid kan soms nog veel sneller
gaan. Zoals je misschien weet, kunnen dolfijnen onder water geluiden maken:
Afbeelding 2: dolfijnen
1
Die geluiden onder water gaan dan met een snelheid van 4800 kilometer per uur. Dat is
vier keer zo snel als door de lucht, en ruim vijf keer zo snel als een passagiersvliegtuig.
Maar het kan nog sneller. Zo kan het geluid van een trein, bijvoorbeeld,
razendsnel door het staal van de de rails gaan. Daar gaat het dan met een snelheid van
18 duizend kilometer per uur doorheen. Dat is dus wel honderd keer zo snel als de trein
zelf. Je kunt zelf controleren dat geluid door staal gaat door je oor op een balustrade te
leggen, en een vriendje of vriendinnetje te vragen er op een afstand met een sleutel
tegenaan te slaan:
Afbeelding 3: balustrade
Er zijn dus verschillende stoffen waar het geluid doorheen kan, en door elke stof gaat
het geluid met een andere snelheid. Genoemd zijn al lucht, water en staal. Men heeft bij
een hoop verschillende stoffen gemeten hoe snel het geluid daar doorheen gaat. Hoe
dat precies is gedaan is hier niet van belang; als je wilt weten hoe ze dat heel vroeger
deden kun je kijken bij de museumles van het Universiteitsmuseum Utrecht over de
metingen van professor Moll.
In het algemeen blijkt geluid door gasvormige stoffen zoals lucht het langzaamst
te gaan, al wat sneller door vloeistoffen zoals water, en het snelst door vaste stoffen
zoals staal. Maar ook blijkt geluid meestal sneller te gaan bij hogere temperatuur, vooral
bij gasvormige stoffen. Bovendien gaat het geluid bij de gasvormige stoffen sneller
naarmate die stoffen lichter zijn.
2
1. Geluid in gasvormige stoffen
Koolstofdioxide is een gas dat uit de uitlaten van auto’s, bussen en andere
vervoermiddelen komt:
Afbeelding 4: uitlaatgas met kooldioxide; je ziet trouwens geen kooldioxide maar water
Het geluid heeft in puur kooldioxide gas een lagere snelheid dan in lucht, namelijk
‘slechts’ 930 kilometer per uur.
De snelheid van het geluid in gasvormige stoffen hangt ook af van de
temperatuur.
In lucht van 20 graden, bijvoorbeeld, is de snelheid 1200 kilometer per uur:
Afbeelding 5: lucht van 20 graden, de boulevard van Scheveningen (Kurhaus)
Maar in lucht van 40 graden is de snelheid van het geluid al bijna 1300 kilometer per
uur:
3
Afbeelding 6: lucht van 40 graden: zelfs in Spanje blijft het strand leeg
Door aardgas kan geluid ook heen, al gebruiken wij het meestal alleen om te koken en
onze huizen te verwarmen:
Afbeelding 7: brandend aardgas
In puur aardgas bereikt het geluid een hogere snelheid dan in lucht, namelijk 1500
kilometer per uur.
Het gas helium is heel licht, zo licht dat het vanzelf omhoog gaat in de lucht Misschien
ken je het wel van die opstijgende ballonnen:
Afbeelding 8: helium in een ballon
In puur helium gaat het geluid nog sneller; het haalt daar wel 3500 kilometer per uur.
Het gas waterstof is nog lichter dan helium, en daarom werd het vroeger wel gebruikt om
luchtschepen mee te vullen. Maar het is zeer brandbaar en daarom uiterst gevaarlijk,
zoals wel uit de volgende afbeelding blijkt:
4
Afbeelding 9: een ontploffend luchtschip gevuld met waterstof
In deze afbeelding zie je het luchtschip de Hindenburg, dat in 1937 explodeerde tijdens
de landing in New York. Tegenwoordig probeert men auto’s op waterstof te laten rijden;
gelukkig kan dat heel wat veiliger dan vroeger.
In pure waterstof bereikt het geluid een snelheid van 4600 kilometer per uur,
bijna even snel als in water.
In Tabel 1 hieronder is de geluidssnelheid in de genoemde gasvormige stoffen op een
rijtje gezet.
stof
snelheid geluid in kilometer per uur
aardgas
1500
helium
3500
koolstofdioxide
930
lucht 20 graden
1200
lucht 40 graden
1300
waterstof
4600
Tabel 1: geluidssnelheid in gasvormige stoffen
5
2. Geluid in vloeistoffen
Alcohol is een vloeistof die meestal vermengd met water wordt gedronken als bier, wijn
of een andere drank:
Afbeelding 10: witte wijn met alcohol
In pure alcohol heeft het geluid een snelheid van 4300 kilometer per uur. Dat is dus
minder dan in pure waterstof.
Kwik is een vloeibaar metaal dat vroeger veel in thermometers gebruikt werd:
Afbeelding 11: kwikthermometer
Kwik is zeer giftig en je mag het dan ook nooit inslikken. Maar ook de damp is erg
gevaarlijk om in te ademen. Daarom wordt kwik niet zo vaak meer gebruikt.
In puur kwik haalt het geluid een snelheid van 5 duizend kilometer per uur.
Behalve van de soort vloeistof hangt de snelheid van het geluid ook hier weer af van de
temperatuur. In water van 20 graden, bijvoorbeeld, is de snelheid 5300 kilometer per
uur. Maar in water van 40 graden is de snelheid van het geluid al bijna 5500 kilometer
per uur. In Tabel 2 hieronder is de geluidssnelheid in de genoemde vloeistoffen op een
rijtje gezet.
stof
snelheid geluid in kilometer per uur
alcohol
4300
kwik
5000
water 20 graden
5300
water 40 graden
5500
Tabel 2: geluidssnelheid in vloeistoffen
6
3. Geluid in vaste stoffen
Steen wordt vaak voor wegen gebruikt, zoals hier:
Afbeelding 12: steen als wegdek (via appia antica, Rome)
In deze afbeelding zie je een oude Romeinse weg van meer dan tweeduizend jaar
geleden. Als je goed kijkt zie je zelfs de karrensporen nog lopen. Door steen gaat het
geluid met een snelheid van wel 13 duizend kilometer per uur.
Geluid kan ook door de stenen ondergrond gaan waarop wij leven: de aardkorst.
Als het geluid dan krachtig genoeg is om het te voelen, heet het ook wel een
aardbeving.
Koper zie je veel als waterleiding of kraan, maar het werd vroeger ook veel gebruikt om
wetenschappelijke instrumenten van te vervaardigen, zoals bijvoorbeeld kijkers of
telescopen:
Afbeelding 13: koperen telescoop
Door koper gaat het geluid met een snelheid van 14 duizend kilometer per uur. Dat is
honderd keer zo snel als een intercity.
Geluid kan ook door glas heen, maar je snapt dat het dan niet te sterk mag zijn, zie
Afbeelding 10 hierboven. Het is bekend dat glas kapot kan springen als je het kunt laten
meetrillen met het geluid, maar daarvoor moet je wel heel precies de goede toonhoogte
te pakken hebben.
7
Er zijn veel verschillende soorten glas, hardere en zachtere. Geluid gaat sneller
door hard glas (kristal) en langzamer door wat zachter glas. Gemiddeld heeft het geluid
in glas een snelheid van 15 duizend kilometer per uur.
Aluminium is een metaal waarvan de meeste vliegtuigen worden gemaakt omdat het zo
licht is:
Afbeelding 14: vliegtuig van aluminium
Aluminium wordt ook wel gebruikt als huishoudfolie en als blikjes waar fris in zit. In
aluminium heeft het geluid een snelheid van bijna 18 duizend kilometer per uur. Dat is
dus twintig keer zo snel als het vliegtuig zelf.
Van ijzer wordt heel veel gemaakt, zoals fietsen:
Afbeelding 15: fiets
In deze afbeelding zie je een ouderwetse fiets van mer dan honderd jaar geleden. In die
tijd hadden fietsen een enorm voorwiel. Dat was omdat je anders veel te snel moest
trappen om snelheid te maken. Tegenwoordig wordt dat opgelost met een ketting, een
groot tandwiel voor en een kleintje achter.
Het geluid gaat door ijzer met een snelheid van meer dan 18 duizend kilometer
per uur. Dat is duizend keer zo snel als een fietser.
8
Diamant is de hardste stof die we kennen. Doordat het zo zeldzaam is, is het ook zeer
kostbaar:
Afbeelding 16: diamant
In de afbeelding zie je de Cullinan, de grootste en duurste geslepen diamant van de
wereld. De waarde wordt geschat op driehonderd miljoen euro.
In diamant bereikt het geluid een snelheid van wel 65 duizend kilometer per uur.
Dat is ongeveer zes keer zo snel als een maanraket.
In Tabel 3 hieronder is de geluidssnelheid in de genoemde vaste stoffen op een rijtje
gezet.
Stof
snelheid geluid in kilometer per uur
aluminium
18000
diamant
65000
glas
15000
koper
14000
steen
13000
ijzer
18000
Tabel 3: geluidssnelheid in vaste stoffen
9