Et par spørgsmål om lys og lyd – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Et par spørgsmål om ly...

22. februar 2012

Et par spørgsmål om lys og lyd

Hej Spørg om Fysik
Jeg har et spørgsmål vedr. lyset og lyden.
 
Vi ved, at lyset bevæger sig med 300.000 km/sek, og når noget bevæger sig så hurtigt som dette, er det i stand til at trænge i gennem fast materiale, såsom vinduet. 

1) Hvordan kan det være, at lyset ikke bevæger sig igennem væggen?

2) Lyden, som bevæger sig med ca. 1100km/t kan nemt trænge igennem vægge, da du kan høre en person på den anden side af væggen hvis han/hun råber. Hvordan kan det være, at lyden kan høres gennem væggen, mens lyset ikke har en effekt, selvom lyset er hurtigere?

3) Bevæger lyden sig hurtigere, hvis man eksempelvis råber? for når du råber, har lyden en tendens til at være tydeligere, eksempelvis gennem væggen.

Mange tak på jeres svar på forhånd

Med Venlig Hilsen 
Y D

Om en bølge går igennem et stof, eller ikke, afhænger ikke af bølgens fart, det afhænger af hvilken type bølge, og ofte også bølgelængde af bølge, samt hvilket stof der er tale om. I øvrigt forandrer bølger normalt hastighed inde i stoffet afhængig af stoffet.

Elektromagnetiske bølger, herunder lys, bevæger sig i vakuum med hastigheden: 2 997 924 58 m/s. I glasarter bevæger lys sig med imellem 2 *108 m/s og 1,5 * 108 m/s afhængig af glasarten. Lysets udbredelseshastighed påvirkes ikke af intensiteten af et kraftigt lysglimt eller en kraftig radarpuls, og breder sig principielt lige så hurtigt som en svag (der kan være undtagelser i ekstreme tilfælde). Elektromagnetiske bølger er tværsvingninger, dvs. svingningerne er vinkelret på udbredelsesretningen som overfladebølger på vand.

Elektromagnetiske bølger 

Lys er i den gruppe bølger, der hedder elektromagnetiske bølger, og er bølger der udbreder sig ved vekselvirkning imellem magnetiske felter og elektriske felter. Denne type bølger blev forudset og beskrevet af James Clerk Maxwell (Skotland, 1831 - 1879).

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell afklarede bølgernes natur i perioden 1855 - 64, og gav en total beskrivelse i en bog fra 1873. Den første aktive sending af elektromagnetiske bølger ud fra hans teorier, blev foretaget af Heinrich Rudolf Hertz (D , 1857 - 1894) i 1886. Elektromagnetiske bølger omfatter alt fra langbølget radiosending, via mellem- og korte bølger til VHF, UHF (bl. a. Fjernsyn) mikrobølger (radar), infrarødt lys (varmestråling) synligt lys, ultraviolet lys, røntgen til gammastråling (se figur). Kortbølget gammastråling går f.eks. udmærket igennem en mur, glas og de fleste andre ting, langbølget radio kan stoppes af en tynd kobberplade. Det der bestemmer resultatet, er vekselvirkningen imellem den pågældende elektromagnetiske stråling og det pågældende stof, og de forskellige bølgelængder vekselvirker på helt forskellige måder. 

Heinrich Rudolf Hertz

I visse vinkler kan ellers gennemsigtige legemer reflektere lyset helt, det gælder f.eks. en lysstråle der rammer en glat vandflade nedefra i en meget skrå vinkel (det kaldes totalrefleksion) eller lys der rammer glas indefra i en tilsvarende vinkel over 45˚ afhængigt af glastypen. Dette sidste bruges f.eks. i prismekikkerter og periskoper.

Tilsvarende regler gælder for de andre nævnte strålingstyper.  Selv et tyndt stykke aluminiumsfolie kan stoppe infrarød stråling, synligt lyd og radiobølger, men røntgen og gammastråling går lige igennem.

Lyd er svingninger i stof 

Lyd er svingninger i stof (svingende atomer eller molekyler) f.eks. luft men også vand træ, beton osv. Lyd kan altså ikke udbrede sig i vakuum.

Nede i væsker og i gasser kaldes bølgerne longotudinale, dvs. de svinger i samme retning, som de bevæger sig se Bølger, svingningsretninger og energi >>

I faste stoffer kan bølgerne være af samme natur, men de kan også være tværbølger, dvs. svingningerne er vinkelrette på udbredelsesretningen. Hver gang lyd går fra et stof til et andet, altså stoffer med forskellige lydhastigheder, vil noget normalt blive reflekteret. Des mere forskellen på densiteter imellem stofferne er, des større forskelle er der normalt i lydhastighed, og jo færre svingninger kommer videre.

Ved at beklæde en betonvæg med et passende lag mineraluld kan man sagtens dæmpe så meget, at der ikke kan høres lyd igennem. Det samme vil være tilfældet med tykke betonvægge, eller tildels dobbeltvægge med luftmellemrum og varmeisolation. Også for lyd gælder det altså, at det afhænger af frekvensen og stoffet. For faste stoffer er der også en afhængighed af svingningens retning og formen af stofprøven. Som regel dæmpes høje toner mere end lave toner ved passage fra et stof til et andet.

Hørebeskyttelse

Høreværn dæmpning ca. 31x

Som bekendt kan hørebeskyttelse til personer i øvrigt fås med meget store dæmpninger, selv om der er tale om ret tynde lag i det materiale der dækker øret.

Høreværn dæmpning ca. 10x

Igennem enstensmure (mursten) dæmpes lyden karakteristisk 30 gange ved 100 Hz til 300 gange ved 3 kHz, er muren pudset på begge sider 122 gange ved 100 Hz og 800 gange ved 3 kHz. Lyddæmpningen af en dobbeltrude ligger omkring 7 gange ved 100 Hz til 180 gange ved 3 kHz (en rudetype ud af mange). Tabellen nedenfor viser en række karakteristiske lydhastigheder. Tonehøjden (frekvens) eller styrken (råb) af lyden påvirker ikke lydhastigheden i stofferne

Stof normalt Lydhastighed m/s
Hydrogen  0˚C 1286
Helium 0˚C 970
Vanddamp 100˚C 405
Atmosfærisk luft 0˚C 331,46
Carbondioxid (kuldioxid) 0˚C 260,3
Chlor 0˚C 206
Vand 0˚C 1407
Ethanol (sprit) 20˚C 1177
Tetrachlormethan 0˚C 940
Aluminium 0˚C 6400
Stål (rustfrit) 0˚C 5740
Glas (pyrex) 0˚C 3760 - 6120
Is 0˚C 3980
Beton 0˚C 4250 - 5250
Polystyren 0˚C 2350
Bly 0˚C 2160

De to bølgefænomener lyd og lys har altså ikke noget med hinanden at gøre, ud over at de begge kan beskrives som bølger, det gælder naturligvis også overfaldebølger (som vi kender fra stranden) og trykbølger (som i f.eks. ultralydsrenseapparater) i væsker. Matematisk beskrives bølgefænomenerne ens, men deres vekselvirkning med stof er af fysisk meget forskellig karakter og kan ikke uden videre sammenlignes, her må man ned i de fysiske processer, der sker, når de pågældende bølgen rammer et stof, for at udtale sig om, hvor meget der kommer igennem. I mange tilfælde foretager man simpelthen målinger.

Med venlig hilsen
Malte Olsen