聲音的傳播速度與介質的性質有密切關係,它與介質的彈性模量成正比,而與介質的密度成反比。固體和液體的密度比氣體的要大得多,從這個角度出發,聲音在這類介質中的傳播速度本應小於在空氣中的傳播速度。但是固體和液體的彈性模量一般遠遠大於氣體的彈性模量,換句話說,聲音傳播過程中,介質分子依次在自己的平衡位置附近振動,某個分子偏離平衡位置時,周圍其他分子就要把它拉回位置上來,也就是說,介質分子具有一種反抗偏離位置的本領。不同的介質分子,反抗本領不同,即彈性模量不同,反抗本領大的介質,傳遞振動的本領也大,它對於聲音的影響程度遠遠超過了密度的影響,傳遞聲音的速度就快。固體和液體的彈性模量大於氣體的彈性模量,所以聲音在固體和液體中跑得比在空氣中快。
不過,也有例外,有一些固體物質的彈性模量很小,如鉛在受到外力敲擊後不能像鋼鐵那樣恢複原來的形狀,因而鉛中的聲速僅為1200米/秒。橡膠具有多孔性和特殊的化學結構,因此橡膠中聲速更小,隻有62米/秒。
聲音的震動
下雪後,人們會發現雪不僅使大地顯得異常潔淨,而且雪後環境顯得特別寂靜,盡管車輛行人並未比平常減少許多。那麼,這是為什麼呢?
雪剛下時,地麵上鬆軟的積雪中有許多小空隙,雪中的小空隙吸收了周圍環境中的聲音,所以下雪後環境顯得特別寂靜。這同纖維材料和多孔材料能吸音的原理相同,通過小空隙的聲振動不能恢複原狀,因而不能正常反射,它的大部分聲熱轉化為熱能,當然,這種熱能是極小的。
當雪被壓得比較堅實的時候,這種吸音能力就減弱了。
水的沸點
人們常說,水在100度時才會燒開。這句話的真正意思是:在大氣壓強為1個大氣壓時,水的沸點是100攝氏度。
當我們用水壺或鍋燒水時,容器裏的水燒開後,水溫達到100℃,這時一部分水變成了水蒸汽,水蒸汽衝破水麵跑入空氣中,就形成了水的沸騰現象。在100℃的水為液態和氣態混合物,在100℃時水的氣相與液相達到平衡。隻要容器裏還有液態的水,那麼,加大火力或持續加熱,隻能導致水繼續從液態變為氣態,而水、氣混合物的溫度卻不會升高。
鋼軌鋪設與熱脹冷縮
常坐火車的人知道,每隔一段很短的時間就會聽到“咯噔”一聲響,在整個旅程中,“咯噔”聲響個不停,催人欲睡,而每一聲“咯噔”響起時,你還會感覺到車體有一些輕微的顛簸。靠近鋼軌仔細觀察,會發現每隔10餘米,兩截鋼軌之間就會留有一點空隙。為什麼要在鋼軌間留一點空隙呢?
原來,這樣做是為了解決鋼軌的熱脹冷縮問題。
在通常的情況下,各種物體在外界溫度變化時會發生熱脹冷縮的現象,即溫度升高,體積增大,溫度降低,體積縮小。在一定溫度下,鋼軌的長度是一定的,但當溫度發生變化時,它的長、寬、高都會隨之變化。如果安裝時鋼軌之間嚴絲合縫,確實能減少列車通過時令人討厭的“咯噔”聲和顛簸,但是,由於熱脹冷縮現象的存在,夏天天氣炎熱時,鋼軌長度增大,沒有預留縫隙的鋼軌隻能向上隆起,顯然這樣對行車安全不利。為避免這種現象的發生,必須在鋼軌之間預留縫隙。
鋼軌間的縫隙到底應當留多大合適呢?為了行車安全,軌縫一般不能超過11毫米,由實驗測定:鋼軌溫度每變化1℃,每一米鋼軌就會伸縮0000011米。在中國,南方和北方的鐵路線上,冬夏之間的氣溫通常可相差80℃左右,根據固體線膨脹關係計算下來,每一段鋼軌的長度以125米為宜。
當然,為了提高行車速度,保證行車安全,也為了消除討厭的“咯噔”聲和顛簸,如果鋼軌之間沒有縫隙當然更好了。在煉鋼時,設法改變鋼材的性質,減少鋼材的熱膨脹係數,就可以大大消除鋼軌的熱脹冷縮現象,這樣鋼軌的長度就可以造得比較長,減少預留的縫隙。現在高速鐵路的鋼軌每一段較長,鐵路上預留的縫隙也少,在這樣的鐵路上旅行,旅客會感到更加舒適。
低溫世界
低溫世界是一個奇妙的世界,與常溫世界完全不同。把物體放在液化了的氣體中冷凍,會發生許多讓人意想不到的變化。
在室溫下非常堅韌的物質,如各種金屬,放到液化氣體中,它們在低於77K的低溫下會變脆,不堪一擊;許多原本堅硬的金屬,用錘子敲擊,會變成粉末;平日裏鮮豔而嬌嫩的鮮花,在低溫中變得像玻璃一樣脆,用錘子輕輕一敲,立刻變成碎片;鮮蹦活跳的泥鰍,被放入液氮中,立刻僵硬不動,但是將它取出回到室溫後,卻又可以恢複生命活力。
如果用低溫液化氣體做實驗,一定要注意,不要使手指和皮膚接觸到液化氣體,否則,手指就會壞死,從手掌上斷掉,皮膚也會變黑、壞死。