Почему звук в воде в 4 раза быстрее, чем в воздухе — и где он ускоряется в 17 раз

Когда вы погружаете голову под воду, кажется, что мир замирает. Звуки становятся глухими, далекими, как будто кто-то резко убавил громкость. Но вот парадокс — на самом деле звук в воде распространяется в 4 раза быстрее, чем в воздухе, а в стали и вовсе в 17 раз быстрее! Это может показаться нелогичным, ведь под водой мы чувствуем себя почти в тишине. Но физика звука — штука куда интереснее, чем кажется на первый взгляд.

Скорость звука зависит от среды, в которой он распространяется. Вот как быстро звук «бежит» через разные материалы:

• Воздух (при 20°C): 343 м/с (1235 км/ч)
• Вода (при 20°C): 1482 м/с (5335 км/ч)
• Сталь: 5000–6000 м/с (18 000–21 600 км/ч)
• Стекло: 4540 м/с (16 344 км/ч)
• Дерево: 3300–3600 м/с (11 880–12 960 км/ч)

Даже в дереве, которое кажется нам глушащим звук, волны распространяются в 10 раз быстрее, чем в воздухе. Всё дело в физике: чем плотнее вещество, тем эффективнее передаётся звуковая энергия.

От чего зависит скорость звука и почему она так различается

Звук — это колебания частиц. Чем плотнее и упорядоченнее вещество, тем быстрее частицы передают эти колебания друг другу.

• В воздухе частицы газа далеко друг от друга. Им нужно «добежать» до соседа, чтобы передать вибрацию — отсюда и низкая скорость.
• В воде молекулы расположены ближе, а значит — меньше расстояние для передачи сигнала.
• В твёрдых телах, таких как сталь или стекло, частицы буквально прижаты друг к другу. Это как передача толчка через цепочку плечом к плечу — почти мгновенно.

Звук проходит через стальную балку длиной 6 метров всего за одну тысячную секунды. В воздухе это заняло бы почти 0,02 секунды — в 20 раз дольше!

Важно: на скорость звука влияет не только плотность среды, но и её упругость — способность возвращаться в исходное состояние после сжатия. В газах, например, большую роль играет температура: чем она выше, тем быстрее частицы двигаются и передают колебания. Поэтому в тёплом воздухе звук распространяется быстрее, чем в холодном.

Газ → жидкость → твёрдое тело — скорость звука возрастает.Однако плотная, но вязкая или мягкая среда (резина) может замедлять звук.

Почему мы плохо слышим под водой

Хоть звук в воде и распространяется быстрее, вода — среда с другой плотностью и сопротивлением, вибрации там идут иначе. А человеческое ухо — инструмент, адаптированный на передачу колебаний через воздух, а не через жидкость. Из-за этого часть колебаний просто не доходит до внутреннего уха.

Кроме того, звуковые волны искажаются из-за разницы плотностей между водой и внутренними структурами уха. Поэтому под водой звук нам кажется странным, глухим, а направление источника — почти невозможно определить.

Морские млекопитающие — дельфины, киты — "слушают" не ушами, а всей нижней челюстью, содержащей жировую ткань, которая передаёт звук к внутреннему уху. Поэтому они слышат под водой в разы лучше нас.

Вывод простой: чем плотнее и упорядоченнее материал, тем быстрее в нём движется звук. Именно поэтому инженеры используют ультразвук для диагностики металлов — в твёрдом теле волна не теряется, не искажается и движется максимально быстро.