الصوت
يمكن تعريف الصوت على أنه اضطراب في المادة يتنقل من مصدره إلى المحيط. ويشير الاضطراب إلى أي تغيير يحدث في حالة توازن المادة. كما يمكن تصنيف بعض الموجات الصوتية على أنها موجات دورية، مما يعني أن الذرات المكونة للمادة تتحرك في نمط توافق بسيط.
سرعة الصوت
تتباين سرعة الصوت بشكل ملحوظ وفقًا للوسط الذي يمر عبره، وتحدد هذه السرعة بناءً على مزيج من خصائص الصلابة (أو قابلية الانضغاط في الغازات) وكثافة الوسط. عموماً، كلما زادت صلابة أو انخفاض انضغاط الوسط، زادت سرعة الصوت. بينما تؤدي زيادة كثافة الوسط إلى تقليل السرعة. لهذا، تكون سرعة الصوت في الهواء منخفضة نظرًا لكونه وسطًا قابلًا للضغط. في المقابل، تكون سرعة الصوت أكبر في السوائل والمواد الصلبة، التي تتمتع بصلابة نسبية وتكون أقل قابلية للضغط. كما تؤثر درجة الحرارة على الكثافة، مما يؤدي إلى تغييرات في سرعة الصوت في الغازات حسب الحرارة.
خصائص الموجات الصوتية
مثل جميع الموجات، تنتقل الصوت بسرعات معينة في وسائط مختلفة وتحمل خصائص التردد والطول الموجي. الصوت ينتقل بشكل أبطأ بكثير من الضوء، وهو ما يمكن ملاحظته أثناء مشاهدة عرض للألعاب النارية، حيث يُرى وميض الانفجار قبل سماع صوته. العلاقة بين سرعة الصوت، التردد، والطول الموجي تتبع نفس المعادلة التي تنطبق على جميع الموجات:
v = fλ
حيث أن:
- v: سرعة الصوت (بالوحدات متر/ثانية).
- f: التردد (بالوحدات هرتز).
- λ: الطول الموجي (بالوحدات متر).
يتم تعريف الطول الموجي على أنه المسافة بين الأجزاء المتشابهة المتجاورة من الموجة. وبالتالي، فإن الطول الموجي للصوت يمثل المسافة بين الأجزاء المتوافقة المجاورة. المسافة بين القمم المتجاورة في موجة مستعرضة تُعتبر طولًا موجيًا، وكذلك المسافة بين التضاغطات المتجاورة في الموجة الصوتية. تردد الموجة الصوتية يعادل تردد مصدر الصوت، حيث أن شوكة رنانة تهتز بتردد معين ستنتج موجات صوتية تتذبذب عند نفس التردد، والتردد يمثل عدد الموجات التي تمر بنقطة معينة لكل وحدة زمنية.
الفرق بين التردد وسرعة الموجة
التردد يشير إلى عدد الاهتزازات التي يقوم بها الجسيم الفردي في وحدة الزمن، في حين أن السرعة تتعلق بالمسافة التي يقطعها الاضطراب في نفس الوحدة الزمنية. تُعرف سرعة الموجة بأنها المسافة التي تقطعها نقطة على الموجة (مثل الضغط أو الخلخلة) خلال وحدة زمنية، وغالبًا ما يتم التعبير عنها بوحدات متر/ثانية، وفقا للمعادلة:
السرعة = المسافة / الزمن
كلما كانت سرعة الموجة الصوتية أكبر، زادت المسافة التي يمكن أن تقطعها في نفس الفترة الزمنية. فإذا تم رصد موجة صوتية تنتقل لمسافة 700 متر خلال ثانيتين، فإن سرعة الموجة ستكون 350 م/ث.
العوامل التي تؤثر على سرعة الموجة
تعتمد سرعة أي موجة على الخصائص الفيزيائية للوسط الذي تمر فيه الموجة، وهناك نوعان رئيسيان من الخصائص تؤثر على سرعة الموجة:
- خصائص المرونة: حيث تتمتع الموجات الصوتية الطولية بسرعتها الأكبر في المواد الصلبة مقارنة بالسوائل، وتكون أبطأ في الغازات.
- خصائص القصور الذاتي: تتأثر سرعة الموجات الصوتية بكثافة المادة، حيث تنتقل الموجات الصوتية بشكل أسرع في المواد ذات الكثافة الأقل، مما يعني أن الصوت ينتقل في الهيليوم ثلاث مرات أسرع من الهواء بسبب انخفاص كتلة جزيئات الهيليوم مقارنة بجزيئات الهواء.
تجربة قياس سرعة الصوت
تنتقل الأصوات، سواء كانت من الكلام أو الموسيقى أو الزلازل أو الحرائق، على شكل موجات، وتختلف سرعة انتشار هذه الموجات عبر المواد مثل الماء أو الهواء. التردد هو عدد المرات التي يتكرر فيها حدث معين في وحدة زمنية. يمكن للبشر سماع الأصوات عادة بين 20 هرتز و 20,000 هرتز، بينما يمكن للكلاب سماع ترددات تصل إلى 60,000 هرتز، وبعض الخفافيش تستجيب لصوت يصل إلى 1 هرتز.
الشوكة الرنانة هي جسم يصدر صوتًا أو يهتز بتردد معين، ويعتمد صوتها على طولها، ويمكن استخدامها لضبط الآلات الموسيقية. لقياس سرعة الصوت في الهواء، يتم استخدام مجموعة من المواد، وهي:
- شوكة رنانة ذات تردد معروف.
- وعاء زجاجي لأسطوانة كبيرة وطويلة.
- ماء.
- مطرقة مطاطية.
- مسطرة.
- إجراء.
يتم ملء نصف الوعاء الزجاجي بالماء، ثم يتم ضرب الشوكة الرنانة بالمطرقة المطاطية. توضع الشوكة فوق فتحة الوعاء، ثم يُضاف الماء ببطء حتى يتم سماع النقطة التي تتغير عندها درجة الصوت (التردد). بعد ذلك، تتم إزالة بعض الماء وإعادة إضافته لتحديد ارتفاع الماء الذي يحقق التردد. يتم حساب سرعة الصوت عند هذا الارتفاع باستخدام المعادلة التالية:
v = 4f (H + 0.4D) حيث:
- v: سرعة الصوت.
- f: تردد الشوكة الرنانة بالهرتز.
- H: الارتفاع بين سطح الماء وحافة الأسطوانة.
- D: قطر وعاء الماء بالأمتار.