تجربة سرعة الصوت

الصوت

يُعرَّف الصوت بأنه اضطراب في المادة ينتقل من مصدره إلى الخارج، والاضطراب هو أي شيء يتم نقله من حالة توازنه، ويمكن وصف بعض الموجات الصوتية بأنها موجات دورية، مما يعني أن الذرات التي تتكون منها المادة تمر بحركة توافقية بسيطة.

سرعة الصوت

تختلف سرعة الصوت اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على الوسط الذي ينتقل عبره، ويتم تحديد سرعة الصوت في الوسط من خلال مزيج من صلابة الوسط (أو قابلية الانضغاط في الغازات) وكثافته، وكلما كان الوسط أكثر صلابة أو أقل انضغاطًا زادت سرعة الصوت، في حين أنه كلما زادت كثافة الوسيط، كانت سرعة الصوت أبطأ، حيث أن سرعة الصوت في الهواء منخفضة لأن الهواء قابل للضغط، ونظرًا لأن السوائل والمواد الصلبة صلبة نسبيًا ويصعب ضغطها بشدة، فإن سرعة الصوت في هذه الوسائط تكون عمومًا أكبر منها في الغازات، ونظرًا لأن درجة الحرارة تؤثر على الكثافة ، فإن سرعة الصوت تختلف باختلاف درجة حرارة الوسط الذي ينتقل عبره إلى حد ما خاصة بالنسبة للغازات.

خصائص الموجات الصوتية

الصوت مثل كل الموجات، ينتقل بسرعات معينة عبر وسائط مختلفة وله خصائص التردد والطول الموجي ، وينتقل الصوت أبطأ بكثير من الضوء ، ويمكن ملاحظة ذلك أثناء مشاهدة عرض ألعاب نارية، حيث يُرى وميض الانفجار قبل سماع صوته، والعلاقة بين سرعة الصوت وتردده وطوله الموجي هي نفسها بالنسبة لجميع الموجات:

  v =fλ   

 حيث v: هي سرعة الصوت (بوحدات m / s).

        f: هو تردده (بوحدات هرتز).

       λ: وهو الطول الموجي (بوحدات الأمتار).

 يُعرَّف الطول الموجي بأنه المسافة بين الأجزاء المتماثلة المتجاورة من الموجة، وبالتالي، فإن الطول الموجي للصوت هو المسافة بين الأجزاء المتطابقة المتجاورة من الموجة الصوتية ، كما أن المسافة بين القمم المتجاورة في الموجة المستعرضة هي طول موجي واحد، والمسافة بين التضاغطات المتجاورة في الموجة الصوتية هي أيضًا طول موجي واحد، أما تردد الموجة الصوتية هو نفسه تردد المصدر، وعلى سبيل المثال، فإن شوكة رنانة تهتز بتردد معين ستنتج موجات صوتية تتذبذب عند نفس التردد، حيث أن تردد الصوت هو عدد الموجات التي تمر بنقطة لكل وحدة زمنية.

الفرق بين التردد وسرعة الموجة

يشير التردد إلى عدد الاهتزازات التي يقوم بها الجسيم الفردي لكل وحدة زمنية، أما السرعة فهي تشير إلى المسافة التي يقطعها الاضطراب لكل وحدة زمنية، ونظرًا لأن سرعة الموجة تُعرَّف على أنها المسافة التي تقطعها نقطة على موجة (مثل الضغط أو الخلخلة) لكل وحدة زمنية، وغالبًا ما يتم التعبير عنها بوحدات متر / ثانية، وفي شكل معادلة:

السرعة = المسافة / الزمن

فكلما زادت سرعة انتقال الموجة الصوتية، زادت المسافة التي ستقطعها في نفس الفترة الزمنية، وإذا لوحظت موجة صوتية تنتقل لمسافة 700 متر في ثانيتين، فإن سرعة الموجة ستكون 350 م / ث.

العوامل التي تؤثر على سرعة الموجة

تعتمد سرعة أي موجة على خصائص الوسط الذي تنتقل الموجة عبره، وعادة هناك نوعان أساسيان من الخصائص التي تؤثر على سرعة الموجة، وهي:

• خصائص المرونة: حيث تنتقل الموجات الصوتية الطولية في المواد الصلبة أسرع مما تنتقل في السوائل أكثر مما تنتقل في الغازات. 
• خصائص القصور الذاتي: تنتقل الموجات الصوتية في المواد الصلبة أسرع مما تنتقل في السوائل أكثر مما تنتقل في الغازات، ومع ذلك، في طور واحد من المادة، تميل خاصية القصور الذاتي للكثافة إلى أن تكون الخاصية التي لها تأثير أكبر على سرعة الصوت، حيث تنتقل الموجة الصوتية أسرع في مادة أقل كثافة من مادة أكثر كثافة، وبالتالي، فإن الموجة الصوتية ستنتقل في الهيليوم أسرع بثلاث مرات من سرعة انتقالها في الهواء، وهذا يرجع في الغالب إلى انخفاض كتلة جسيمات الهيليوم مقارنة بجزيئات الهواء.

تجربة سرعة الصوت

إن الأصوات سواء من الكلام أو الموسيقى أو الزلزال أو الحرائق تنتقل في موجات وانتقال الموجة، المسمى بالانتشار، له سرعة مختلفة خلال كل مادة، مثل الماء أو الهواء، أما التردد فهو عدد المرات التي يقع فيها الحدث لكل وحدة زمنية، ويمكن للبشر أن يسمعوا عادة في أي مكان من ٢٠ هرتز إلى ٢٠٠٠٠ هرتز، بينما يمكن للكلاب سماع ما يصل إلى ٦٠ ألف هرتز، ويمكن لبعض الخفافيش سماع صوت منخفض يصل إلى ١ هرتز.

الشوكة الرنانة هي جسم يصدر صدى أو يهتز بتردد ودرجة معينة، ويعتمد صوت الشوكة الرنانة على طولها، ويمكن استخدامها لضبط الآلات الموسيقية، ولقياس سرعة الصوت في الهواء نستخدم مجموعة من المواد، وهي:

• شوكة رنانة بتردد معروف.
• وعاء زجاجي أسطواني كبير وطويل.
• ماء.
• مطرقة مطاطية.
• مسطرة.
• إجراء.

يتم ملء نصف الحاوية الزجاجية بالماء، ثم تضرب الشوكة الرنانة بمطرقة مطاطية، ثم تمسك الشوكة الرنانة فوق فتحة الحاوية الزجاجية، ومع إبقاء الشوكة الرنانة فوق فتحة الحاوية يصب المزيد من الماء ببطء في الأسطوانة، ثم يتم الاستماع إلى النقطة التي يحدث فيها تغيير في درجة الصوت (التردد)، بعدها يتم إزالة بعض الماء ومن ثم إضافته مرة أخرى حتى يتم تحديد ارتفاع الماء الذي يقفز عنده التردد، وتحسب سرعة الصوت عند هذا الارتفاع باستخدام المعادلة التالية:

الخامس = 4f (H 0.4D) حيث إن:

• v: هي سرعة الصوت.
• f: هو تردد الشوكة الرنانة بالهرتز.
• H: هي مسافة الارتفاع بين قمة الماء وشفة الأسطوانة.
• D: هو قطر وعاء الماء بالأمتار.