Super Hornet -hävittäjä rikkoo äänivallin. Kuva: Shutterstock
Super Hornet -hävittäjä rikkoo äänivallin. Kuva: Shutterstock

Metallisessa vedyssä ääni kulkisi yli kaksinkertaisella nopeudella timanttiin verrattuna.

Valon nopeus on tunnettu tarkasti jo satojen vuosien ajan, mutta nyt tutkijat ovat määrittäneet suurimman teoreettisen nopeuden ensimmäistä kertaa myös äänelle.

Brittiläis-venäläisen fyysikkoryhmän laskelmien perusteella äänen nopeuden teoreettinen yläraja on 36 kilometriä sekunnissa. Se on yli kaksi kertaa niin paljon kuin äänen nopeus timantissa, maailman kovimmassa materiaalissa.

Tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä.

Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen

Ääni on väliaineen värähtelyä. Äänen nopeus riippuu atomien massasta ja siitä, miten tiukasti atomit ovat sidoksissa toisiinsa. Ääni ei siis voi kulkea tyhjiössä vaan tarvitsee edetäkseen väliaineen.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Väliaine voi olla missä tahansa olomuodossa: nesteenä, kaasuna tai kiinteänä aineena. Ilmassa ääni kulkee suhteellisen hitaasti, noin 345 metriä sekunnissa, sillä ilman muodostamat happi- ja typpimolekyylit eivät juuri ole keskenään vuorovaikutuksessa. Niinpä ääni etenee molekyylien satunnaisten törmäysten välityksellä.

Tiiviin aineen atomit ovat sen sijaan tiukemmin kiinni toisissaan, jolloin ääni kulkee tiiviissä aineessa kaasua nopeammin. Mitä kevyempiä tiiviin aineen muodostavat atomit ovat ja mitä lujempia ovat niiden väliset sidokset, sitä nopeammin ääni kulkee.

”Esimerkiksi Villin lännen sarjakuvissa junan saapumista kuunnellaan painamalla korva kiinni rautatiekiskoihin, sillä niitä pitkin ääni kulkee ilmaa nopeammin”, selventää Helsingin yliopiston fysiikan professori Simo Huotari.

Fyysikko Albert Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan minkä tahansa kappaleen absoluuttinen enimmäisnopeus on sama kuin valon nopeus, noin 300 000 kilometriä sekunnissa. Ennen brittiläis-venäläisen ryhmän tuoretta laskelmaa ei tiedetty, voisiko samanlaisen enimmäisnopeuden löytää myös äänelle.

Tutkijat käyttivät laskelmansa pohjana protonien ja elektronien välistä massasuhdetta sekä hienorakennevakiota, joka kuvaa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen suuruutta.

Kyseiset luonnonvakiot asettavat yläarvoja materiaalien tietyille ominaisuuksille, esimerkiksi juuri äänen nopeudelle väliaineessa. Teoreettisten laskelmien perusteella ääniaaltojen enimmäisnopeudeksi määriteltiin 36 kilometriä sekunnissa.

Aikaisemmin on ajateltu, että ääni kulkee nopeimmin timantissa, koska se on tunnetuista materiaaleista jäykin. Timantissa äänen nopeus on alle puolet teoreettisesta ylärajasta, 12 kilometriä sekunnissa.

Tutkijat etsivät ainetta, joka olisi samaan aikaan mahdollisimman kevyttä ja mahdollisimman tiivistä teoreettisen enimmäisnopeuden saavuttamiseksi. Laskelmien mukaan tällainen materiaali voisi olla metallinen vety.

Vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, mutta kiinteän muodon se saavuttaa vain äärimmäisen suuressa paineessa. Tällaista painetta voi esiintyä muun muassa Jupiterin kaltaisten jättimäisten kaasuplaneettojen sisäosissa.

Metallista vetyä on yritetty pitkään tuottaa laboratoriossa. Riittävän suuren paineen saavuttamiseksi tutkijat ovat puristaneet vetyä timanttipuristimen väliin ja kohdentaneet siihen voimakkaita laserpulsseja.

”Eräät tutkijat uskovat löytäneensä todisteita siitä, että he ovat onnistuneet tuottamaan kyseistä materiaa laboratorio-olosuhteissa. Metallisen vedyn tutkimus on kuitenkin toistaiseksi vasta alkuvaiheessa”, Huotari sanoo.

Hänen mukaansa tutkimusartikkelin kirjoittajat ovat käyttäneet muutamia yksinkertaistavia oletuksia ja arvioita eikä ääniaalloille laskettu enimmäisnopeus ole muutenkaan fysiikan kannalta yhtä perustavanlaatuinen kuin suhteellisuusteorian asettama suurin mahdollinen nopeus.

”Ei ole täysin pois suljettua, että kehitettäisiin uusia materiaaleja, joissa ääni kulkee esitettyä rajaa nopeammin. Onhan esimerkiksi hiilestä tehdyillä nanomateriaaleilla nykyisin sellaisia ominaisuuksia, joita ei vielä jonkin aikaa sitten osattu kuvitellakaan.”

Arviota äänen maksiminopeudesta voisi Huotarin mukaan hyödyntää esimerkiksi planetaarisessa tutkimuksessa, jossa on tärkeää arvioida, miten nopeasti paineaallot ja järistykset etenevät suurissa kaasujättiläisissä.

Ertsu
Seuraa 
Viestejä7559

"”Esimerkiksi Villin lännen sarjakuvissa junan saapumista kuunnellaan painamalla korva kiinni rautatiekiskoihin, sillä niitä pitkin ääni kulkee ilmaa nopeammin”
Kyllä se kiskojen kihinä kuuluu ilmankin,että tarvii painaa korva kiinni kiskoon.

Sisältö jatkuu mainoksen alla