ما هي سرعة الصوت

مفهوم سرعة الصوت

سرعة الصوت (بالإنجليزية: Speed of Sound) هي السرعة التي تنتقل بها الموجات الصوتية عبر الأوساط المختلفة، حيث تبلغ القيمة الفعلية لسرعة الصوت عندما يكون الهواء جافاً، وتكون درجة حرارته 0 درجة مئوية 331.29 متراً في الثانية، أما سرعة الصوت في الماء السائل عند 8 درجات مئوية فتبلغ حوالي 1,439 متراً في الثانية.

قانون سرعة الصوت

يُشار إلى أنّ قانون سرعة الصوت وضِع بالنسبة للغازات، إذ تمثل سرعة الصوت الجذر التربيعي لحاصل عمليّة ضرب معامل تمدد ثابت الحرارة في الضغط مقسومة على الكثافة، ويعبر عن القانون رياضيًا كالتالي:

سرعة الصوت= (معامل تمدد ثابت الحرارة × الضغط/ الكثافة)√

وبالرموز: 

ع= (م ح× ض)/ ث)√

وبالإنجليزية:

V= √((γ × p) /ρ)

حيثُ أنّ:

• V (ع): سرعة الصوت.
• γ (م ح): معامل تمدد ثابت الحرارة.
• p (ض): ضغط الغاز.
• ρ (ث): كثافة الوسط.

العوامل المؤثرة على سرعة الصوت

يُدرج فيما يأتي أبرز العوامل المؤثرة على سرعة الصوت:

كثافة الوسط الذي يمر من خلاله

تعتمد سرعة الصوت على مرونة وكثافة الوسط الذي يمر الصوت من خلاله، والعلاقة بين انتقال الصوت والمرونة علاقة طرديّة، أي أنّ انتقال الصوت يكون أسرع عندما تزداد المرونة، بينما العلاقة بين سرعة انتقال الصوت والكثافة علاقة عكسية، أي أنّه تزداد سرعة انتقال الصوت عندما تقل الكثافة.

والعلاقة الآتية توضّح العلاقة بين سرعة الهواء ومرونة وكثافة الوسط:

السرعة= المرونة / الكثافة

وبالرموز:

ع= م × ث

وبالإنجليزية:

V= e / ρ

حيثُ أنّ:

• V (ع): السرعة.
• e (م): المرونة.
• ρ (ث): الكثافة.

وفيما يأتي توضيح لسرعة الصوت في الأوساط المختلفة:

سرعة الصوت في الأجسام الصلبة

ينتقل الصوت بين جزيئات المواد الصلبة التي تكون مترابطة على نحوٍ أكبر مما عليه في السوائل والغازات، حيثُ تكون كثافة المواد الصلبة كبيرة، الأمر الذي ينتج عنه اصطدام الجزيئات ببعضها البعض بسرعة أكبر.

ويشار إلى أنّ تلك الجزيئات تستغرق وقتًا أقل للاصطدام ببعضها البعض، مما يجعل سرعة الصوت أكبر مقارنةً بالوسط الغازي أو السائل.

وعلى سبيل المثال تبلغ سرعة الصوت في الحالة الصلبة حوالي 6000 م/ ثانية، لكن في مادة الفولاذ تكون 5100 م/ ثانية، أي أنّ سرعة انتقال الصوت في المواد الصلبة كبيرة جدًا، ويُشار إلى أنّ انتقال الصوت في عنصر الألماس يكون أسرع بنحو 35 مرة مقارنةً بانتقاله في الهواء.

سرعة الصوت في الغازات

ينتقل الصوت عبر الغازات على نحوٍ بطيء، وذلك بسبب تباعد الجزيئات التي تتكوّن منها مواد الغازات وانتشارها، وبالتالي حتى ينتقل الصوت عبر الغاز، يجب أن تهتز الجزيئات، وتصطدم ببعضها البعض من أجل تكوين موجات الصوت.

ولكن بسبب التباعد الكبير لجزيئات المادة في الغازات، فإن عمليّة انتقال الطاقة من جزيء لآخر تتطلب وقتًا أطول، مقارنةً بالمواد الصلبة والسائلة، وبالتالي فإنّ سرعة الصوت تكون أقل في الحالة الغازيّة، ويُشار إلى أنّ سرعة الصوت في الغازات لا تأخذ نوع الوسط بعين الاعتبار، وذلك بسبب كثافة الغازات الموحدة مهما كان نوعها.

سرعة الصوت في السوائل

ينتقل الصوت في السوائل التي تعد أكثر كثافة من الغازات، لكنها أقل كثافة من المواد الصلبة، أي أن المسافات بين جزيئاتها تكون أقل من تلك الموجودة في الغازات، بينما تكون أكثر من المواد الصلبة، وبالتالي فإنَّ سرعة الصوت في السوائل تكون ما بين سرعة الصوت في الأوساط الصلبة والغازية.

سرعة الصوت في الفراغ

يشار إلى أنّ الصوت لا ينتقل في الفراغ ، أي أنّ مقدار سرعة الصوت في الفراغ يبلغ (0)، وذلك بسبب غياب وجود الجزيئات، وانعدام حركتها في الفراغ، وبالتالي فإنَّ الفراغ لا يوفر وسطًا يُمكن من خلاله انتشار الموجات الصوتية.

الضغط

يكون تأثير ضغط الهواء عند درجة الحرارة الثابتة على سرعة الصوت في الغازات شبه معدوم، أي أنّه ليس له تأثير، وذلك بسبب زيادة الكثافة، وبما أن الكثافة والضغط لهما تأثيرات متساوية، لكن في نفس الوقت تكون معاكسة لسرعة الصوت.

ومما ينتُج عنه إلغاء تأثيرات كلا الطرفين على سرعة الصوت، بينما يظهر تأثير الضغط على سرعة الصوت في الماء السائل، إذ تزداد سرعة الصوت بازدياد ضغط الماء، أي أنّ العلاقة بينهما علاقة طردية.

درجة الحرارة

ترتبط سرعة الصوت مع درجة الحرارة في علاقة طردية، أي أنّه كلما زادت درجة الحرارة في وسط ما، زادت سرعة الموجات الصوتية، فعندما تكون جزيئات المادة أكثر حرارة، فإنها تُصبح أكثر حركة، وقد وضع العلماء صيغة رياضية يُمكن من خلالها حساب سرعة الصوت في الهواء الجاف، والتي تُلائم جميع درجات الحرارة، وهي:

سرعة الصوت= 331 0.61 × درجة الحرارة

وبالرموز:

ع= 331 0.61 × د

وبالإنجليزية:

V= 331 (0.61) T

حيثُ تمثل الرموز:

• V (ع): سرعة الصوت.
• T (د): درجة الحرارة.