Tốc độ âm thanh: đi nhanh cỡ nào trong không khí, nước và thép

Âm thanh đi khoảng 343 m/s trong không khí ở 20 °C, khoảng 1.500 m/s trong nước và khoảng 5.000–6.000 m/s trong thép. Nói gọn: trong không khí, âm mất khoảng 3 giây để đi 1 km; trong nước nhanh hơn chừng bốn lần, trong thép nhanh hơn chừng mười lăm lần. Môi trường càng "cứng", khó nén, thì âm truyền càng nhanh.

Bảng tốc độ âm trong vài môi trường quen thuộc

Các giá trị dưới đây là số phổ biến trong sách vật lý, ghi "khoảng" vì tốc độ thật thay đổi theo nhiệt độ, độ tinh khiết, loại vật liệu.

So với ánh sáng, mọi con số trên đều rùa bò. Ánh sáng đi khoảng 300.000 km mỗi giây, nhanh hơn âm trong không khí gần một triệu lần. Đó là lý do ta luôn thấy trước, nghe sau: thấy người đánh trống ở cuối sân vận động vung dùi rồi mới nghe tiếng "tùng", thấy người thợ ở công trình xa nện búa rồi tiếng "cạch" mới tới.

Vì sao chất rắn truyền âm nhanh hơn không khí

Nhiều người nghĩ chất rắn nhanh vì các hạt sát nhau hơn. Đúng một phần, nhưng chưa đủ. Tốc độ âm phụ thuộc vào hai thứ kéo ngược chiều nhau:

• Độ "cứng", tức vật liệu chống lại sự nén mạnh cỡ nào. Càng cứng, mỗi hạt bị đẩy càng bật lại nhanh, rung động được chuyền đi càng mau.
• Độ đặc (khối lượng riêng). Hạt càng nặng càng ì, khó đẩy cho chuyển động, làm sóng chậm lại.

Thép nặng hơn không khí hơn sáu nghìn lần, nhưng cứng hơn không khí ở mức hàng triệu lần. Phần cứng thắng áp đảo, nên âm trong thép nhanh hơn hẳn. Nước cũng nặng hơn không khí gần nghìn lần nhưng cực khó nén, nên âm trong nước vẫn nhanh gấp bốn. Ngược lại, khí heli rất nhẹ, các phân tử nhỏ chạy nhanh, nên âm trong heli nhanh gần gấp ba không khí.

Chi tiết này giải thích một hiện tượng nhiều người từng gặp: tiếng nói của ai đó vừa hít khí heli từ bóng bay nghe the thé như nhân vật hoạt hình. Thật ra dây thanh không rung nhanh hơn. Âm đi nhanh trong khoang miệng chứa heli làm các vùng cộng hưởng của giọng nói dịch lên cao, nên âm sắc đổi. Đừng thử: hít heli thay cho không khí có thể gây thiếu oxy, ngất và nguy hiểm thật sự, nhất là với trẻ em.

Nhiệt độ quan trọng hơn áp suất

Trong không khí, nhiệt độ là thứ làm tốc độ âm thay đổi rõ nhất: cứ tăng 1 °C, âm nhanh thêm khoảng 0,6 m/s. Không khí nóng thì phân tử chạy nhanh hơn, chuyền rung động nhanh hơn. Một buổi trưa 35 °C ở Thành phố Hồ Chí Minh và một sáng mùa đông 10 °C ở vùng núi Lào Cai có thể chênh nhau khoảng 15 m/s.

Điều ngạc nhiên là áp suất không khí, ở cùng nhiệt độ, gần như không ảnh hưởng. Lên cao không khí loãng hơn, nhưng âm chậm đi chủ yếu vì trời lạnh hơn chứ không vì loãng. Độ ẩm có ảnh hưởng nhưng rất nhỏ: không khí ẩm truyền âm nhanh hơn không khí khô một chút, vì phân tử hơi nước nhẹ hơn phân tử nitơ và oxy.

Vì tốc độ thay đổi theo nhiệt độ, sóng âm bị "bẻ cong" khi đi qua các lớp không khí nóng lạnh khác nhau. Đây là nguồn gốc của nhiều chuyện nghe xa, nghe gần lạ lùng quanh ta, như chuyện ban đêm nghe tiếng xa rõ hơn ban ngày.

Người xưa đo tốc độ âm thanh thế nào

Đo tốc độ âm là một bài toán thú vị của khoa học thế kỷ 17–19, vì phải đo những khoảng thời gian rất ngắn khi chưa có đồng hồ điện tử.

1. Thế kỷ 17, dùng đại bác và ánh chớp. Các nhà khoa học châu Âu như Marin Mersenne và Pierre Gassendi đứng cách xa một khẩu pháo, bấm thời gian từ lúc thấy chớp lửa tới lúc nghe tiếng nổ. Ánh sáng tới gần như tức thì, nên khoảng chờ chính là thời gian âm đi. Con số của họ còn lệch khá xa, nhưng đã cho thấy âm đi với một tốc độ hữu hạn đo được, và Gassendi còn nhận ra tiếng trầm hay tiếng bổng đều tới cùng lúc.
2. Năm 1738, Viện Hàn lâm Khoa học Pháp tổ chức đo cẩn thận hơn giữa các điểm quanh Paris, bắn pháo từ hai phía để trừ ảnh hưởng của gió. Kết quả quy về 0 °C được ghi là khoảng 332 m/s, rất sát giá trị hiện đại.
3. Isaac Newton và lời giải còn thiếu. Newton là người đầu tiên tính tốc độ âm bằng lý thuyết, nhưng con số của ông thấp hơn thực đo khoảng 15%. Đầu thế kỷ 19, Pierre-Simon Laplace chỉ ra chỗ thiếu: khi không khí bị nén nhanh, nó nóng lên một chút và bật lại mạnh hơn. Thêm hiệu ứng này, lý thuyết khớp với thực đo.
4. Năm 1826, hồ Geneva. Jean-Daniel Colladon và Charles Sturm đo tốc độ âm trong nước: một người trên thuyền gõ chuông dưới nước và cùng lúc châm thuốc súng cho loé sáng; người trên thuyền thứ hai cách khoảng hơn 13 km áp ống nghe xuống nước, bấm giờ từ lúc thấy sáng tới lúc nghe chuông. Kết quả khoảng 1.435 m/s ở nước hồ lạnh, rất gần con số hiện đại.

Biết tốc độ âm để làm gì

Con số tốc độ âm thanh không chỉ nằm trong sách. Nó được dùng hằng ngày:

• Đo độ sâu và tìm cá: máy phát tiếng xuống nước, đo thời gian tiếng vang quay về, nhân với khoảng 1.500 m/s rồi chia đôi là ra độ sâu. Đây là nguyên lý của sonar và máy dò cá.
• Siêu âm y tế: máy tính khoảng cách tới các mô bên trong cơ thể dựa trên tốc độ âm trong mô mềm, gần với trong nước.
• Kiểm tra vật liệu: kỹ sư bắn sóng âm tần số cao vào dầm thép, mối hàn; tiếng vang về sớm bất thường cho biết có vết nứt bên trong.
• Đo nhiệt độ và gió: một số trạm khí tượng đo tốc độ âm qua lại giữa các đầu dò để tính ra tốc độ gió và nhiệt độ không khí.
• Đặt tên cho tốc độ máy bay: "Mach 1" nghĩa là đúng bằng tốc độ âm ở nơi máy bay đang bay, nên Mach 1 trên cao lạnh thấp hơn Mach 1 sát mặt đất.

Một câu chuyện hay được nhắc trong phim ảnh là người xưa áp tai xuống đất hay đường ray để nghe ngựa, nghe tàu từ xa. Âm truyền qua đất và thép quả thật nhanh hơn và xa hơn qua không khí. Nhưng tuyệt đối không áp tai lên đường ray tàu hoả để "kiểm chứng": tàu tới nhanh hơn nhiều người tưởng, và đây là việc có thể gây tai nạn chết người.

Góc nhìn hôm nay: tự đo tốc độ âm thanh an toàn

Có một cách đo khá vui, chỉ cần hai người, một khoảng sân rộng và đồng hồ bấm giây trên điện thoại:

1. Hai người đứng cách nhau khoảng 200–300 m trên bãi đất trống, đo khoảng cách bằng bản đồ số hoặc đếm bước.
2. Người A đập mạnh hai tấm ván gỗ vào nhau, vung tay rõ để người B thấy.
3. Người B bấm giờ từ lúc thấy ván chạm tới lúc nghe tiếng "cạch". Lặp nhiều lần, lấy trung bình.
4. Lấy khoảng cách chia cho thời gian. Phản xạ tay người chậm khoảng vài phần mười giây, nên kết quả chỉ gần đúng, nhưng thường vẫn rơi vào khoảng 300–400 m/s.

Muốn đọc thêm, có thể tìm các tài liệu nhập môn âm học hoặc chương "Sóng âm" trong sách vật lý phổ thông, trong đó có công thức tính tốc độ âm theo nhiệt độ.