سرعة الصوت في الماء

الموجات وآلية انتقالها

تنتقل الموجات من مكان لآخر عن طريق وسط ناقل، ويتمّ ذلك من خلال تحريك جزيئاته ؛ حيثُ إنَّ الموجة هي عبارة عن اضطراب يؤدّي إلى حركة (أو اهتزاز) هذه الجزيئات، فكل جزيء مُتأثِّر يؤدّي إلى تحريك الجزيء الذي يليه، وهذا الجزيء يُحرِّك الذي يليه، وهكذا. إنَّ الموجات هي عبارة عن انتقال لطاقة، وليس لشيء مادّي؛ فجزيئات الوسط ستتحرَّك مؤقّتاً، وستعود إلى حالة السكون التي كانت عليها قُبيل نشوب الطاقة الناتجة عن اضطراب.

سرعة الصوت

إنَّ سرعة الصوت تعتمد بشكل أساسي على نوع الوسط الذي ينتقل موجات الصوت من خلاله، بالإضافة لدرجة حرارة هذا الوسط، ووفقاً لوكالة ناسا ، فإنّه من الممكن حساب سُرعة الصوت في أي وسط من خلال القانون التالي:

سرعة الصوت=الجذر التربيعي(ثابت الغاز×معامل ثبات الاعتلاج×درجة حرارة الوسط بالكلفن)

إنَّ ثابت الغاز للهواء هو 286م/ث/كلفن، أمَّا معامل ثبات الاعتلاج (بالإنجليزيّة: Ratio of specific heats) فيُقدَّر ب1.4 للهواء ذات سعرات حراريّة مثاليّة، ولحساب سرعة الصوت في الهواء، فإنّه يمكن استخدام قانون أبسط، ويعتمد فقط على درجة حرارة الهواء، وهو:

سرعة الصوت في الهواء=331.4 0.6×درجة حرارة الهواء (بالسيلسيوس)

• مثال (1): في يوم بارد، كانت درجة حرارة الهواء 5 درجات مئويّة. جد سرعة الصوت في ذلك اليوم.

الحل: باستخدام قانون سرعة الصوت في الهواء وتعويض درجة حرار الهواء في ذلك اليوم، فإنَّ النتاج يكون كالتالي:

سرعة الصوت=331.4 0.6×5=334.4م/ث.

• مثال (2): في يوم حار، كانت درجة حرارة الهواء 35 درجة مئويّة. جد سرعة الصوت في ذلك اليوم.

الحل: بتعويض درجة حرارة الهواء في قانون سرعة الصوت في الهواء، فإنَّ الحل يكون كالآتي:

سرعة الصوت=331.4 0.6×35=352.4م/ث.

سرعة موجات الصوت في الماء

إنَّ انتقال الصوت في المُسطّحات المائيّة أسرع بكثير من انتقاله في الهواء، فسرعة الصوت في الماء تساوي 1500م/ث تقريباً، أمّا سرعته في الهواء فهي 340م/ث فقط. تختلف سرعة الماء من مُسطّح مائي لآخر، ولكن هذا الاختلاف يُعدّ صغيراً جدّاً، ويعود سبب الاختلاف إلى تأثُّر السرعة بعوامل مُختلفة، كدرجة حرارة الماء، ونسبة الملوحة فيها، إضافةً للضغط داخل الماء الذ يزداد بازدياد العُمق. إنَّ تغيُّر درجة حرارة الماء بمقدار 1 درجة مئويّة سيؤدّي إلى تغيُّر سُرعة موجات الصوت في الماء بمقدار 4م/ث، وبتغيُّر نسبة الملوحة بمقدار وِحدة واحدة، فإنَّ ذلك سيؤدي إلى التغيُّر في سُرعة الموجات بمقدار 1.4م/ث، أمّا الضغط داخل الماء والذي يتأثَّر بالعُمق، فإنّه كلّما اختلف العُمق بمقدار 1كم، فإنَّ هذا سيؤدّي إلى تغيُّر سُرعة موجات الصوت بمقدار 17م/ث.

أنواع الموجات

يوجد العديد من أنواع الموجات بمختلف الصفات والخواصّ، ومن هذه الأنواع:

• الموجات المستعرضة (بالإنجليزيّة: Transverse waves): هذا النوع من الموجات يؤدّي إلى تحريك جزيئات الوسط بشكل عمودي مع خط سير الموجة.
• الموجات الطوليّة (بالإنجليزيّة: Longitudinal waves): هي الموجات التي تُحرِّك جزيئات الوسط الناقل لها بشكل موازي مع خط سير الموجة.
• الموجات السطحيّة (بالإنجليزيّة: Surface waves): تتحرَّك جزيئات مادّة الوسط بشكلٍ دائريّ، وذلك بخلاف الموجات المستعرضة والطوليّة.

يمكن تصنيف الموجات حسب كيفيّة نقلها للطاقة كالتالي:

• الموجات الكهرومغناطيسيّة (بالإنجليزيّة: Electromagnetic waves): إنَّ هذا النوع من الموجات له القدرة على أن ينقُل الطاقة في الفراغ (بدون وسط ناقل)؛ حيثُ إنَّ هذا النوع من الموجات هو نتاج اهتزاز جزيئات مشحونة، ومن أبرز الأمثلة عليها هي الموجات الكهرومغناطيسيّة التي مصدرها الشمس ، فهي تنتقل من مصدرها إلى الأرض بدون وجود وسط ناقل، فالفضاء الخارجي هو عبارة عن فراغ.
• الموجات الميكانيكيّة (بالإنجليزيّة: Mechanical waves): بعكس الموجات الكهرومغناطيسيّة؛ فإنَّ هذا النوع من الموجات لا ينقل الطاقة في الفراغ، بل يحتاج إلى وسط ناقل لينتقل من خلاله، ومن أبرز الأمثلة على هذا النوع من الموجات هي موجات الصوت؛ وذلك لأنّها لا تنتقل في الفراغ، فعند وضع جرس بداخل حيِّز معزول ومُفرَّغ من الهواء، فإنَّ صوته لن يكون مسموعاً.

الموجات الصوتيّة

يستخدم الإنسان الصوت من أجل التواصل، كما أنَّ بعض الحيوانات تعتمد على الصوت من أجل كشف ما حولها، وخصوصاً الحيوانات التي تعيش في الماء تحت البحار والمحيطات ؛ نظراً لتدنّي مستوى الرؤية في أعماق المحيطات بسبب عدم وصول ضوء الشمس، فبالتالي يكون الاعتماد على حاسّة السمع كبيراً.

إنَّ الصوت ينتقل على شكل موجات؛ حيثُ تُعرَّف الموجات الصوتيّة على أنّها مجموعة الإضطرابات الناتجة بسبب انتقال الطاقة من خلال وسط ما -كالماء أو الهواء- بعيداً عن مصدر الصوت؛ حيثُ إنَّ هذا المصدر قد تسبَّب باهتزازات أدّت في النهاية إلى إنتاج هذه الموجات. إنَّ آلية انتقال الصوت تكمن في اهتزاز جزيئات المادّة؛ ممّا سيتسبَّب في اهتزاز الجزيئات المحاذية لها، وهكذا، وهذا سيؤدّي إلى تشكُّل موجات تنتقل من خلالها الطاقة الصوتيّة عبر الوسط في جميع الاتجاهات وبعيداً عن المصدر. يعود اكتشاف أنَّ الصوت ينتقل على شكل موجات إلى حوالي القرن الثاني قبل الميلاد من قِبَل الإغريق؛ حيثُ يعود الفضل للفيلسوف اليوناني خريسيبوس الذي وضع نظريّة أنَّ الصوت ينتقل على شكل موجات، بالإضافة لعُلماء آخرين كالمهندس الروماني فيتروفيو، والفيلسوف الروماني بوثيوس؛ حيثُ إنَّ كُل من هؤلاء توصَّل إلى نفس النظريّة ولكن في أزمنة مُختلفة.

سرعة موجات الصوت في أوساط أخرى

إنَّ انتقال الصوت يكون أسرع ما يُمكن في الأوساط الصلبة ؛ لأنّ جُزيئات الموادّ الصلبة مُلتصقة جدّاً ببعضها بعكس جُزيئات السوائل والغازات، ممّا يُتيح لموجات الصوت أن تنتقل بسُرعة أكبر؛ حيثُ تبلغ سرعة الصوت في الفولاذ حوالي 5130م/ث، وهذه القيمة تُعدّ أكبر بكثير من سُرعة الصوت في الماء والهواء.