Colladonin ja Sturmin vedenalaisia äänimittauksia

Näin ääni kulkee tavallista nopeammin

190 vuotta sitten omituinen venekaksikko seilasi Genevenjärvellä. Veneissä olivat sveitsiläiset Jean-Daniel Colladon ja Charles-Francois Sturm, jotka mittasivat äänen nopeutta vedessä.

Päivän kuvaÄäni on väliaineessa etenevää mekaanista aaltoliikettä, joka välittyy tiheyden pienenpieninä vaihteluina väliaineessa. Kuivassa ilmassa, jonka lämpötila on 20°C, merenpinnan tasolla mitattuna äänen nopeus on 343,2 metriä sekunnissa, eli 1236 km/h.

Nyt tiedämme tämän hyvin, samoin kuin sen, että äänen nopeus riippuu oikeastaan vain kahdesta tekijästä: lämpötilasta ja väliaineesta. Esimerkiksi korkealla ilmakehässä äänen nopeus ei riipu ilman tiheydestä, vaan sen lämpötilasta.

Ääntä voi olla myös muussa kuin ilmassa: mikä tahansa väliaine voi välittää aaltoliikettä, ja on sitten toinen asia, pystymmekö kuulemaan korvillamme tuota ääntä – mutta ääni kulkee.

Näihin aikoihin vuonna 1826 Genevenjärvellä tehtiin äänen nopeuteen liittyvää kiinnostavaa tutkimusta, kun fyysikko Colladon ja matemaatikko Sturm vertasivat äänen nopeutta ilmassa ja vedessä.

He olivat kehittäneet varsin näppärän koejärjestelyn, missä yhdessä veneessä oli veden alle laskettu kello, jota pystyttiin kolauttamaan samoin veden alla olevalla vasaralla. Kyseessä oli vähän kuin kirkon kello, paitsi pieni ja se oli upotettu veden alle. Samaan aikaan kun kello kumahti, vasaraa liikuttanut laitteisto sytytti pienen ruutiannoksen, jolloin tuloksena oli myös paukahdus pinnan päällä.

Toisessa veneessä 15 kilometrin päässä oli puolestaan suuri kuulotorvi, jonka avulla vedenalainen ääni saatiin kuuluviin. Jotta ilmatiivis torvi pysyi upoksissa, oli siihen kiinnitetty paino.

Kun pamahdus ilmassa ja kolahdus veden alla saapuivat eri aikaan, pystyttiin aikaeron perusteella laskemaan nopeus äänelle.

He onnistuivat mittaamaan äänen nopeuden veden alla hämmästyttävän tarkasti: lämpötilaltaan 8°C olleessa vedessä nopeus oli 1435 m/s, eli tulos oli vain kolme metriä sekunnissa pielessä oikeasta.

Samoihin aikoihin ranskalainen François Sulpice Beudant teki samanlaisia mittauksia Marseillen luona merivedessä ja sai äänen nopeudelle siellä arvoksi noin 1500 m/s.

Otsikkokuvana oleva kuvapari on Geneven tiedemuseosta, missä on esillä myös Colladonin ja Sturmin käyttämiä torvia; kokeita tehtiin useita ja yhä tarkempia, joten kaksikko valmisti useita versioita torvistaan. Alla oleva kuva on käännetty vaakatasoon, joten se näyttää kummalliselta. Museossa torvet ovat pystyssä kaikkien ihailtavissa.

Colladonin ja Sturmin käyttämiä torvia

Kuinka nopeasti ääni kulkee missäkin aineessa?

Äänen nopeus riippuu siis väliaineen tiheydestä, ja se puolestaan on riippuvainen mm. lämpötilasta. Eri lämpötilassa olevalle ilmalle äänen nopeuden voi laskea nopeasti vaikkapa tällä netissä olevalla laskimella (sivulla on myös paljon muuta tietoa äänen nopeudesta) ja alla on keskimääräisiä nopeuksia (metreinä sekunnissa) äänelle eri aineissa:

  • beryllium: 12 550
  • rauta: 5 120
  • alumiini: 5 080
  • graniitti: 4 000
  • lasi: 4 000 – 5 000
  • betoni: 4 300
  • tiili: 3 650
  • puu: 3 500
  • jää (−4°C): 3 280
  • vesi: 1 403–1 543
  • korkki: 500
  • ilma: 343

Juttuja samasta aiheesta