10.3-Sound Needs a Medium for Propagation
10.3-Sound Needs a Medium for Propagation Important Formulae
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10.3 - Sound Needs a Medium for Propagation
- Sound is a mechanical wave that requires a medium (solid, liquid, or gas) to travel.
- It cannot travel through a vacuum (empty space) because there are no particles to vibrate.
- Sound waves are produced by the vibration of particles in a medium.
- The speed of sound varies in different media: fastest in solids, slower in liquids, and slowest in gases.
- The relationship between speed, frequency, and wavelength is given by the formula: $v = f \lambda$, where $v$ is the speed, $f$ is the frequency, and $λ$ is the wavelength.
- Sound travels differently in different mediums due to differences in particle density and elasticity.
10.3 - Sound Needs a Medium for Propagation
Sound is a type of mechanical wave that travels through a medium. It cannot travel through a vacuum because it requires particles to propagate. The medium could be any form of matter, whether solid, liquid, or gas. In this section, we will discuss why sound needs a medium and how it propagates through different types of media.
What is a Medium?
A medium is any substance or material that carries the sound wave. The medium consists of particles, such as molecules in air or atoms in solids, which vibrate when sound waves pass through them. These vibrations are transferred from one particle to the next, allowing sound to propagate.
Propagation of Sound:
When a sound wave is produced, the particles in the medium vibrate. These vibrations cause a series of compressions (high-pressure regions) and rarefactions (low-pressure regions) that travel through the medium. The transfer of energy from one particle to another causes the sound to travel. The speed of sound varies depending on the medium it is traveling through.
Why Sound Cannot Travel in a Vacuum:
In a vacuum, there are no particles to transmit the vibrations. Sound cannot travel because it requires a medium to carry the vibrations from one particle to the next. Therefore, in outer space, where there is no air or any other medium, sound cannot propagate, and it is "silent."
Speed of Sound in Different Media:
The speed at which sound travels depends on the properties of the medium, such as its density and elasticity. For example, sound travels faster in solids than in liquids and gases. This is because the particles in solids are closer together and can transmit the vibrations more quickly. In contrast, in gases, the particles are spread out and it takes longer for the vibrations to pass from one particle to another.
The speed of sound ($v$) in a given medium can be calculated using the formula:
Formula:
$v = \sqrt{\dfrac{B}{\rho}}$
Where:
- $v$ = Speed of sound in the medium (in meters per second)
- $B$ = Bulk modulus (a measure of the medium's elasticity)
- $\rho$ = Density of the medium (in kilograms per cubic meter)
Speed of Sound in Air:
In air, the speed of sound is approximately 343 m/s at room temperature (20°C). However, this speed can change depending on the temperature of the air. As the temperature increases, the molecules in the air move faster, and sound can travel more quickly.
Effect of Temperature on Speed of Sound:
The speed of sound increases with an increase in temperature because warmer molecules in the air are able to transfer the vibrations more quickly. The relationship between the temperature of air ($T$ in Celsius) and the speed of sound ($v$) is approximately given by the formula:
Formula:
$v = 331 + 0.6T$
Where:
- $v$ = Speed of sound in air at temperature $T$
- $T$ = Temperature in Celsius
Sound in Water and Solids:
In water, sound travels faster than in air because water is denser and less compressible. In solids, sound travels even faster because the particles are tightly packed and can transmit the vibrations quickly. For example, the speed of sound in water is about 1500 m/s, and in steel, it is around 5000 m/s.
10.3-ध्वनि को फैलने के लिए माध्यम की आवश्यकता
ध्वनि एक यांत्रिक तरंग है, जिसका अर्थ है कि इसे फैलने के लिए किसी पदार्थ की आवश्यकता होती है। ध्वनि को फैलने के लिए किसी ठोस, तरल या गैसीय पदार्थ का होना जरूरी है। बिना किसी माध्यम के ध्वनि फैल नहीं सकती।
जब हम ध्वनि सुनते हैं, तो यह हवा, पानी या किसी ठोस वस्तु के माध्यम से हमारे कानों तक पहुँचती है। उदाहरण के लिए, यदि हम एक संगीत वाद्य यंत्र बजाते हैं, तो वह ध्वनि हवा में फैलती है और हमारे कानों तक पहुँचती है।
ध्वनि की तरंगों का प्रकार
ध्वनि तरंगें कम्पन के रूप में फैलती हैं। जब कोई वस्तु कंपन करती है, तो वह आसपास के कणों को भी कंपित कर देती है। यह कंपन्नता धीरे-धीरे पूरे माध्यम में फैलती है।
माध्यम क्या होता है?
माध्यम वह पदार्थ है जिसमें ध्वनि तरंगें फैलती हैं। यह ठोस, तरल या गैसीय हो सकता है। इन माध्यमों में कण होते हैं जो ध्वनि तरंगों को प्राप्त करते हैं और उन्हें एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुंचाते हैं। उदाहरण के लिए, हवा (गैस), पानी (तरल) और लकड़ी (ठोस) विभिन्न प्रकार के माध्यम हैं।
ध्वनि के फैलने का सिद्धांत
ध्वनि तरंगों का फैलाव तरंगों के द्वारा कणों के आपसी संपर्क से होता है। जब कोई कण एक स्थान पर कंपन करता है, तो वह अपने पास के कण को प्रभावित करता है, जिससे कंपन्नता अगले कण तक पहुँचती है। इस प्रकार, ध्वनि तरंगों का संचरण एक कण से दूसरे कण तक होता है। यह प्रक्रिया तब तक चलती रहती है जब तक कि ध्वनि हमारे कानों तक नहीं पहुँचती।
संगत उदाहरण
1. हवा में ध्वनि: हवा में ध्वनि तरंगें कणों के संपर्क से फैलती हैं। हवा में कणों की घनता कम होती है, इसलिये ध्वनि की गति कम होती है।
2. पानी में ध्वनि: पानी में कणों की घनता अधिक होती है, इसलिए ध्वनि की गति पानी में हवा के मुकाबले अधिक होती है।
3. ठोस माध्यम में ध्वनि: ठोस पदार्थों में कणों की घनता और उनके बीच का अंतराल कम होता है, इसलिये ध्वनि सबसे तेजी से ठोस पदार्थों में फैलती है।
ध्वनि की गति (Speed of Sound)
ध्वनि की गति का निर्धारण उस माध्यम की घनता और तापमान के आधार पर होता है। ध्वनि की गति निम्नलिखित सूत्र से व्यक्त की जा सकती है:
गति $v = \sqrt{\dfrac{B}{\rho}}$
जहाँ,
- $v$ = ध्वनि की गति
- $B$ = यंग का मापांक (Elasticity)
- $\rho$ = माध्यम का घनत्व (Density)
वायु में ध्वनि की गति
वायु में ध्वनि की गति लगभग 343 मीटर प्रति सेकंड (m/s) होती है। यह तापमान और वायुमंडलीय दबाव पर निर्भर करती है। जब तापमान बढ़ता है, तो ध्वनि की गति भी बढ़ती है।
वैकल्पिक माध्यम
ध्वनि का प्रसार केवल यांत्रिक माध्यमों के माध्यम से होता है। इससे यह स्पष्ट होता है कि ध्वनि निर्वात (Vacuum) में नहीं फैल सकती। निर्वात में कोई कण नहीं होते, जिनसे ध्वनि तरंगें फैल सकें। इसलिए अंतरिक्ष में हम कोई ध्वनि नहीं सुन सकते।