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
