Wo ist die Schallgeschwindigkeit am größten?

Schall ist eine Druckwelle, die durch Teilchen übertragen wird, die gegen ihre Nachbarn drücken. Seine Geschwindigkeit hängt von zwei Dingen ab: wie stark das Medium einer Kompression widersteht (seine Steifigkeit oder Kompressionsmodul) und wie viel Masse bewegt werden muss (seine Dichte). Je steifer und weniger dicht ein Medium ist, desto schneller breitet sich die Welle aus. Deshalb leitet Stahl, der sehr steif ist, Schall mit etwa 5.900 Metern pro Sekunde; Wasser mit etwa 1.480; und Luft, die stark komprimierbar ist, mit 343 Metern pro Sekunde bei 20 °C. Die Intuition, dass dichte Luft „besser leitet“, ist falsch: Entscheidend ist das Verhältnis zwischen Steifigkeit und Dichte, nicht die Dichte allein.

In einem idealen Gas steigen Steifigkeit und Dichte gemeinsam mit dem Druck, sodass sich der Druck heraushebt und die Schallgeschwindigkeit nur von der absoluten Temperatur und der Zusammensetzung des Gases abhängt. In trockener Luft beträgt sie bei 0 °C etwa 331 m/s und steigt pro Grad um etwa 0,6 m/s. Bei 40 °C liegt sie bei rund 355 m/s; in der Tropopause der Standardatmosphäre, bei 11.000 m und -56,5 °C, sinkt sie auf 295 m/s. Dieser Abfall erklärt, warum ein mit 850 km/h fliegendes Verkehrsflugzeug bei etwa Mach 0,8 liegt: Der Referenzwert, der die Mach-Zahl definiert, ist in großer Höhe kleiner. Auch die Zusammensetzung spielt eine Rolle: In Helium, das leicht und einatomig ist, bewegt sich der Schall mit fast 1.000 m/s, weshalb das Einatmen die Stimme höher klingen lässt; in Schwefelhexafluorid, viel schwerer, sinkt sie auf etwa 130 m/s.

Die lokale Schallgeschwindigkeit bestimmt die Mach-Zahl, und die Mach-Zahl bestimmt den Beginn von Stoßwellen, Wellenwiderstand und Buffeting. Dasselbe Flugzeug befindet sich bei gleicher wahrer Fluggeschwindigkeit in kalter Luft in großer Höhe näher am transsonischen Bereich als in warmer Luft auf Meereshöhe. Deshalb wurden historische Überschalltests, wie die der Bell X-1 im Jahr 1947, in großer Höhe durchgeführt: Kalte Luft senkt die Geschwindigkeit, die nötig ist, um Mach 1 zu überschreiten, und die geringere Dichte verringert die Belastung der Zellenstruktur. Die Instrumente eines Strahlflugzeugs berechnen die Mach-Zahl fortlaufend aus der von einer Sonde an der Nase gemessenen Gesamtlufttemperatur.

Schall breitet sich auch durch das Metall des Flugzeugs selbst aus, und diese weitaus höhere Geschwindigkeit bildet die Grundlage für die Ultraschallprüfung von Stringern und Nietverbindungen: Ein ausgesendeter Impuls und sein Echo brauchen Mikrosekunden, um die Dicke eines Bauteils zu durchlaufen, und jeder Riss verrät sich durch eine frühe Reflexion. Im Meerwasser, mit etwa 1.500 m/s, verlassen sich Seeaufklärungsflugzeuge auf Sonobojen und Sonare. Je nachdem, wo man hinschaut, ist dasselbe physikalische Phänomen also in der Kabine langsam, im Flügel schnell und unter dem Meer noch schneller.