John Rennie hat eine genaue mathematische Behandlung der Gleichungen geliefert, die hinter der Berechnung der Schallgeschwindigkeit stehen. Ich möchte diese Behandlung nicht beeinträchtigen, und natürlich bieten die Wikipedia-Artikel, aus denen wir beide stammen, eine umfassendere Behandlung. Aber ein intuitives Verständnis des „Warum“ war in der Vergangenheit für mich ebenso hilfreich. Das Folgende ist mein Versuch, das "Warum" der Frage zu verstehen und zu erklären.
Es gibt mehr Faktoren, die die Schallgeschwindigkeit in einer anderen Substanz beeinflussen als die Dichte des Mediums. Dies spiegelt sich in den Gleichungen zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit wider, insbesondere in dem Vorhandensein des Volumenmoduls und des Schermoduls an verschiedenen Stellen in den Schallgleichungen in einem Feststoff und einer Flüssigkeit.
Die Der Kompressionsmodul ist ein Maß für die Beständigkeit einer Substanz gegen gleichmäßige Kompression. Sie wird in Pascal gemessen, was der Druckeinheit entspricht. Gleichmäßige Kompression bedeutet, dass der Stoff in alle Richtungen den gleichen Druck erfährt (wie bei atmosphärischem Druck oder Unterwasserdruck). Der Volumenmodul gibt also an, um wie viel die Substanz schrumpft - dh an Volumen abnimmt und an Dichte zunimmt -, wenn sie einem bestimmten Druck ausgesetzt wird.
Nun der Schermodul ist ein Maß für die Steifheit. Insbesondere wird gemessen, wie ein Material auf Kräfte reagiert, die in entgegengesetzte Richtungen wirken, z. B. durch Reibung, die einen Block an Ort und Stelle hält oder Ihre Hände voneinander wegbewegt, um ein Stück Papier in zwei Hälften zu zerreißen. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Flüssigkeit oder ein Gas einer Scherkraft auszusetzen, und es wird deutlich, dass der Schermodul für andere Formen von Materie als Feststoffe bedeutungslos ist. Einfach ausgedrückt, Gase und Flüssigkeiten widerstehen keinen Scherkräften.
Aus diesem Grund berücksichtigt der Schermodul die Schallgeschwindigkeit in einem Feststoff, nicht jedoch die Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit. Wikipedia fasst den oben verlinkten Abschnitt zur Schallgeschwindigkeit wie folgt zusammen:
In einer Flüssigkeit besteht die einzige Steifheit ungleich Null in der volumetrischen Verformung (eine Flüssigkeit hält keine Scherkräfte aus).
Im allgemeineren Sinne reagieren unterschiedliche Medien unterschiedlich auf unterschiedliche Kräfte. Wellenausbreitung ist im Wesentlichen eine Energieübertragung durch ein Medium - diese Energieübertragung wird durch eine Kompressionskraft auf molekularer Ebene erreicht.
Stellen Sie sich für eine makroskopische Metapher vor, eine Welle durch eine schleichende zu verbreiten a>. Das schleichende Aussehen scheint aus Stahl zu sein, aber es ist immer noch sehr flexibel, das heißt, es ist nicht steif. Stellen Sie sich vor, Sie wiederholen das Experiment in diesem Video mit einer massiven Stahlstange gleicher Breite und Länge. Angenommen, die Schüler könnten die Masse immer noch mit der gleichen Kraft bewegen, könnten Sie weder eine Quer- noch eine Longitudinalwellenbewegung beobachten. Der feste Stahl ist, obwohl er das gleiche Material mit der gleichen Dichte wie der Slinky ist, viel steifer und breitet Wellen daher sehr unterschiedlich aus. In ähnlicher Weise ist der Unterschied in der Steifheit zwischen flüssigem Quecksilber und festem Eisen ausreichend um die größere Dichte des Quecksilbers zu überwinden, damit sich der Schall schneller im Eisen ausbreitet.