Lydens hastighed: formler, tabeller og lydmuren forklaret

Du ser lynet, og du begynder at tælle: et, to, tre. Ni sekunder senere ruller tordenen ind. Lydens hastighed i luft er 343 m/s ved 20°C, og det er netop den hastighed, der forklarer forsinkelsen. Lyd er ikke øjeblikkelig, og det er faktisk det, der gør den interessant at studere i fysik.

Lydens hastighed varierer med temperaturen og med det materiale, lyden bevæger sig igennem. I vand er den fire gange hurtigere end i luft, og i stål er den næsten 15 gange hurtigere. Det er ikke tilfældigt: tætte materialer overfører svingninger langt mere effektivt end tynde gasser.

Hvad er lydens hastighed?

Sammenligner vi med lysets hastighed på 300 millioner m/s, er lyd faktisk utrolig langsom. Det er præcis den forskel, du oplever under et tordenvejr, ved nytårsfyrværkeri og når du ser et jetfly flyve over dig, men hører lyden sekunder for sent. For mere hjælp til bølger og lydfysik kan du besøge vores lektiehjælp i fysik.

Lydens hastighed i forskellige materialer

Sæt et glas vand på bordet og bank let med en finger. Banker du igen, mens en ven holder øret mod bordet, hører de banket meget tydeligere. Det skyldes, at lyd bevæger sig langt hurtigere i faste stoffer og væsker end i luft. Jo tættere molekylerne sidder, jo hurtigere overfører de trykbølgen.

Tallene viser et klart mønster: jo tættere og fastere materialet er, jo hurtigere bevæger lyden sig. Niels Bohr Institutets forskning i lydhastigheder viser desuden, at lyden i faste stoffer har to slags hastigheder: én for longitudinale bølger i udbredelsesretningen og én for transversale bølger på tværs. Indianerne i westernfilm pressede øret mod jernbaneskinnen for at høre et kommende tog, og det var faktisk god fysik.

Formlen for lydens hastighed: v = f × λ

En kammerton A, det som et orkester stemmer efter, svinger 440 gange i sekundet. Lydens hastighed i luft er 343 m/s. Hvor lang er selve bølgen fra én top til den næste? Svaret giver formlen \( v = f \times \lambda \), og beregningen giver: \( \lambda = 343 \div 440 \approx 0{,}78 \) m. Det er bølgelængden for netop den tone, du ville høre fra en stemmegren.

Hvad påvirker lydens hastighed?

En varm sommerdag lyder en fjern musikfestival anderledes end på en kold vintermorgen. Det skyldes ikke lydens karakter, men dens hastighed. Varm luft har mere energi, og molekylerne bevæger sig hurtigere og overfører trykbølgen mere effektivt. For hvert grad temperaturen stiger, øges lydens hastighed i luft med 0,6 m/s.

Ud over temperaturen afhænger hastigheden af mediets tæthed og stivhed. I vand sidder molekylerne meget tættere end i luft, og de overfører svingningen mere direkte fra én til den næste. Det er årsagen til, at delfiner og hvaler kommunikerer over tusindvis af kilometer under vand, og at ubåde bruger SONAR til at lokalisere mål.

Lydmuren og Mach-tal

Den 14. oktober 1947 fløj testpiloten Chuck Yeager over Mojaveørkenen i USA med 1.127 km/t. Han var det første menneske, der brød lydmuren, i det orange raketfly Bell X-1. Hvad Yeager oplevede i cockpittet, var overraskende roligt: ingen brag, intet ryk. Bragets kraft gik til menneskene på jorden, der hørte et enormt smæld, da chokbølgen ramte dem.

Lydens hastighed betegnes Mach 1, opkaldt efter den østrigske fysiker Ernst Mach. Mach 2 er to gange lydens hastighed, Mach 3 er tre gange osv. Mach-tallet varierer med højden: i 10 kilometers højde er luften ca. minus 60°C, og lydens hastighed falder til ca. 295 m/s. Et fly der flyver med Mach 2 i stor højde er altså absolut set langsommere end Mach 2 ved havets overflade.

Tordenvejr: beregn afstanden til lynet

Lys bevæger sig så hurtigt, at du ser lynet næsten øjeblikkeligt. Torden bruger derimod ca. 3 sekunder på at tilbagelægge 1 kilometer. Tæller du sekunderne fra lynet og dividerer med 3, får du afstanden i kilometer. Det er en praktisk huskeregel, der bygger direkte på lydens hastighed: 3 s × 343 m/s ≈ 1.029 m ≈ 1 km.

1. 1

   Se lynet, og start med at tælle

   Tæl sekunder højt: en, to, tre...

2. 2

   Stop, når du hører tordenen

   Notér antallet af sekunder.

3. 3

   Divider med 3

   Resultatet er afstanden til tordenvejret i kilometer.

Doppler-effekten: hvorfor lyder ambulancen anderledes

Har du lagt mærke til, at en ambulance lyder mere skarp og høj, mens den nærmer sig, men pludselig skifter til en dybere tone, da den passerer? Det er Doppler-effekten, opkaldt efter den østrigske fysiker Christian Doppler. Mens ambulancen bevæger sig mod dig, presses lydbølgerne tættere sammen foran den, frekvensen stiger. Bag ambulancen trækkes bølgerne ud og falder i frekvens, og tonen lyder lavere.

Doppler-effekten bruges i politiets fartmålere, vejrudsigter og ultralydsscannere. Fysikopensum rummer mange beslægtede emner: skal du forstå radioaktivt henfald, er vores guide til halveringstid et godt næste skridt, og kæmper du med elektriske kredsløb, er artiklen om Ohms lov oplagt at læse bagefter.