الصوت
في الفيزياء الصوت هو عبارة عن موجات ميكانيكية طولية؛ والأمواج الميكانيكية هي الأمواج التي تنتقل عبر الأوساط المادية ، ولا يمكنها الانتشار دون وجودِ وسطٍ مادي. يمكن تصنيف الأمواج تبعاً لطريقة انتشارها إلى نوعين؛ أمواج طولية يكون اتجاه انتشارها موازياً لاتجاه الاهتزاز، وأمواج مستعرضة يكون اتجاه انتشارها عامودياً على اتجاه اهتزازها. ويُمكن تعريف الصوت على أنه الاهتزاز الناشئ والمحمول على الأوساط المادية (مثل الهواء أو الماء ) لينتقل عبرها، وإذا وصل الصوت لمستقبلٍ مثل أذن الإنسان فإنه يمكن إدراكه عن طريق حاسة السمع.
منشأ الصوت
حتى نتمكن من فهم الآلية التي ينشأ بواسطتها الصوت بشكلٍ بسيط فإنه من الممكن الاستعانة بأداة موسيقية وترية (أي يُعزف عليها عن طريق تحريك الأوتار) مثل الغيتار. عند العزف على الغيتار فإنه يتم ذلك عن طريق ضرب الأوتار، الأمر الذي يؤدي إلى اهتزازها إلى أعلى وأسفل موضع الاتزان (موضع الاتزان هو الموضع الأصلي للوتر)، هذا الاهتزاز الحاصل يؤدي إلى دفع جزيئات الهواء، الأمر الذي سوف يؤدي إلى انخفاض ضغط الهواء قرب الوتر، وأيضاً سوف يؤدي إلى زيادة ضغط الهواء في المنطقة الجديدة التي أصبح فيها الهواء، وجزيئات الهواء سوف تدفع جزيئات أخرى مسببةً انخفاضاً آخر في ضغط الهواء يليه ارتفاع في ضغط الهواء، وبتكرار هذه العملية ينشأ الصوت وينتقل عبر الهواء إلى أذن المستمع. تُسمّى منطقة الضغط المنخفض بالتخلخل، بينما تسمى منطقة الضغط المرتفع بالتضاغط، وبهذا فإنه يمكن القول إن الأمواج الصوتية هي ليست إلا تعاقباً من تضاغطات يفصل بينها تخلخلات.
سرعة الصوت
في جميع الأوساط المادية تعتمد سرعة الصوت بشكلٍ أساسي على بعض الخصائص مثل الخصائص القصورية، والخصائص المتعلقة بالمرونة، وتُسهم خصائص المرونة بالتأثير الأكبر في سرعة الصوت؛ حيث إنه كلما زاد تفاعل جزيئات وذرات المادة مع بعضها البعض زادت سرعة الصوت في هذا الوسط المادي، وبسبب هذا تكون سرعة الصوت أكبر ما يمكن في الأوساط الصلبة (عصلبة)، بينما تكون أقل ما يمكن في الأوساط الغازية (عغازية)، وفي الأوساط السائلة تكون سرعة الصوت (عسائلة) بين سرعتها في الأوساط الصلبة والغازية.
- عصلبة > عسائلة > عغازية
تكون الخصائص القصورية هي المسيطرة فقط في حالة مقارنتنا لسرعة الصوت في طورٍ واحد (مثل مقارنة سرعة الصوت في غازين مختلفين)، وواحد من الخصائص القصورية المؤثرة في سرعة الصوت هي خاصية الكثافة، إذ تتناسب الكثافة تناسباً عكسياً مع سرعة الصوت، فتقل سرعة الصوت كلما زادت الكثافة، وتزداد سرعة الصوت كلما قلت الكثافة. إذاً سوف تكون سرعة الصوت أكبر ما يمكن في الأوساط الأقل كثافة، فلو قارنا بين سرعة الصوت في غاز الهيليوم وسرعة الصوت في الهواء سنجد أن سرعة الصوت في غاز الهيليوم هي الأكبر بسبب انخفاض كثافة الهيليوم بالمقارنة مع الهواء.
سرعة الصوت في الهواء
سرعة الصوت في الهواء تعتمد بشكلٍ أساسي على درجة حرارة الهواء، وأيضاً تعتمد بشكلٍ ثانوي على نسبة الرطوبة في الهواء (بخار الماء الموجود في الهواء)؛ إذ إن نسبة بخار الماء في الهواء تتحكم في خاصية قصورية للوسط الذي سوف تحمل عليه موجة الصوت وهي الكثافة ، وقد سبق وأن تحدثنا عنها في هذا المقال. تُعتبر درجة الحرارة إحدى العوامل المؤثرة بشدة في سرعة الصوت؛ لأنها سوف تؤثر في تفاعل جزيئات الوسط مع بعضها البعض، وهذه واحدة من خصائص المرونة التي تؤثر في سرعة الصوت بشكلٍ كبير.
- يمكن حساب سرعة الصوت في الهواء الجاف عند مستوى الضغط الجوي العادي حسب العلاقة التالية:
- ع = 331 (0.6 × د)
- حيث إن (ع) هي سرعة الصوت، و(د) هي درجة حرارة الهواء، ومن هذه العلاقة يمكن التنبؤ بسرعة الصوت في الهواء في الظروف المعيارية (ضغط جوي طبيعي، ودرجة حرارة 20 س) حيث إن سرعة الصوت في هذه الظروف ستساوي 343م/ث.
حساب سرعة الصوت
بشكلٍ عام يمكن حساب سرعة أي شيء عن طريق معرفة المسافة التي يقطعها في زمنٍ ما، أو بكلماتٍ رياضيةٍ أكثر، يمكن حساب السرعة عن طريق قسمة المسافة المقطوعة على الزمن المستغرق لقطع هذه المسافة. هذه الطريقة تنطبق أيضاً على الموجات الصوتية، لكن حتى يكون الأمر واضحاً تماماً لا بد من التحدث عن خاصيتين مهمتين من خصائص الموجات ، وهاتين الخاصيتين هما الطول الموجي والتردد.
بدايةً الطول الموجي هو المسافة بين أي نقطتين متماثلتين على الموجة متتاليتين، مثل أن نقول المسافة بين قمتين متتاليتين أو قاعين متتاليين، حيث إن هذه المسافة هي الطول الموجي، والطول الموجي مقاس بوحدات الطول، فلو كنا نتحدث عن الطول الموجي بالنظام العالمي للوحدات فإن الوحدة المستخدمة سوف تكون المتر. تجدر الإشارة إلى أن طول موجي كامل هو موجة كاملة. بينما التردد هو عدد الموجات التي تعبر نقطةً ما في وحدة الزمن، والتردد يكافئ مقلوب الزمن، وهو يقاس بوحدة 1/ث أو ما يسمى الهيرتز.
بما أن الطول الموجي مسافة، والتردد هو مقلوب الزمن، فإنه عند ضرب هاتين الكميتين ببعضهما البعض سوف نحصل على سرعة الموجة (لأننا حصلنا على مسافة مقسومةً على زمن، وهذا هو تعريف السرعة)، ويمكن كتابة هذا رياضياً كالآتي:
- ع = λ × تد
- حيث إن (ع) هي سرعة الموجة، (λ) هي الطول الموجي، و(تد) هو تردد هذه الموجة.
ويمكن حساب سرعة الصوت عن طريق الاعتماد على معادلة نيوتن-لابلاس (بالإنجليزية: Newton-Laplace equation) والتي تخبرنا بأنه بقسمة معامل الحجم (بالإنجليزية: Bulk Modulus) على كثافة الوسط فإننا سوف نحصل على مربع سرعة الصوت في هذا الوسط، وتعطى معادلة نيوتن-لابلاس كالآتي:
- ع = مح/ρ
- حيث إن (ع) هي سرعة الصوت في الوسط، و(مح) هي معامل الحجم، و(ρ) هي كثافة الوسط.
