استكشاف قياس سرعة الصوت

مقدمة حول الصوت

الصوت هو في الأساس اضطراب ينتشر عبر مادة ما، وينتقل من مصدره. هذا الاضطراب يمثل تحولًا عن حالة الاستقرار أو التوازن. يمكن وصف بعض الموجات الصوتية بأنها دورية، مما يعني أن الجزيئات المكونة للمادة تخضع لحركة توافقية بسيطة.

مفهوم سرعة الصوت

تتفاوت سرعة الصوت بشكل ملحوظ اعتمادًا على الوسط الذي تنتقل خلاله. تتحدد سرعة الصوت في أي وسط من خلال عاملين رئيسيين هما: صلابة الوسط (أو قابليته للانضغاط في الغازات) وكثافته. كلما زادت صلابة الوسط أو قلت قابليته للانضغاط، زادت سرعة الصوت. وعلى العكس، كلما زادت كثافة الوسط، تباطأت سرعة الصوت. سرعة الصوت في الهواء منخفضة نسبيًا لأن الهواء قابل للانضغاط. بينما في السوائل والمواد الصلبة، تكون السرعة أعلى بسبب صلابتها وصعوبة ضغطها. وتجدر الإشارة إلى أن درجة الحرارة تؤثر على الكثافة، وبالتالي تؤثر أيضًا على سرعة الصوت، خاصة في الغازات.

التمييز بين التردد وسرعة الموجة

الصوت، مثل كل الموجات، ينتقل بسرعات مختلفة عبر وسائط مختلفة، وله خصائص مثل التردد والطول الموجي. ينتقل الصوت أبطأ بكثير من الضوء، وهذا ما نلاحظه عند رؤية وميض الألعاب النارية قبل سماع صوتها. العلاقة بين سرعة الصوت وتردده وطوله الموجي هي نفسها لجميع الموجات، وتعبر عنها المعادلة التالية:

v = fλ

حيث:

• v: سرعة الصوت (بالمتر/ثانية).
• f: التردد (بالهرتز).
• λ: الطول الموجي (بالمتر).

يُعرَّف الطول الموجي بأنه المسافة بين نقطتين متتاليتين متشابهتين في الموجة. أما تردد الموجة الصوتية فهو نفسه تردد المصدر. على سبيل المثال، شوكة رنانة تهتز بتردد معين ستنتج موجات صوتية بنفس التردد. تردد الصوت هو عدد الموجات التي تمر بنقطة معينة في وحدة الزمن.

يشير التردد إلى عدد الاهتزازات التي يقوم بها الجسيم الواحد في وحدة الزمن، بينما تشير السرعة إلى المسافة التي يقطعها الاضطراب في وحدة الزمن. ويمكن التعبير عن السرعة بالمعادلة:

السرعة = المسافة / الزمن

كلما زادت سرعة انتقال الموجة الصوتية، زادت المسافة التي تقطعها في نفس الفترة الزمنية. فإذا انتقلت موجة صوتية لمسافة 700 متر في ثانيتين، فإن سرعتها تكون 350 متر/ثانية.

العوامل المؤثرة في سرعة الموجات الصوتية

تعتمد سرعة الموجة على خصائص الوسط الذي تنتقل خلاله. هناك نوعان رئيسيان من الخصائص التي تؤثر على سرعة الموجة:

• خصائص المرونة: تنتقل الموجات الصوتية الطولية في المواد الصلبة أسرع من السوائل، وأسرع من الغازات.
• خصائص القصور الذاتي: في طور واحد من المادة، تميل خاصية القصور الذاتي للكثافة إلى أن تكون الخاصية الأكثر تأثيرًا على سرعة الصوت. تنتقل الموجة الصوتية أسرع في مادة أقل كثافة. وبالتالي، تنتقل الموجة الصوتية في الهيليوم أسرع بثلاث مرات من انتقالها في الهواء، ويرجع ذلك أساسًا إلى انخفاض كتلة جسيمات الهيليوم مقارنة بجزيئات الهواء.

إجراء تجربة عملية لسرعة الصوت

الأصوات التي نسمعها، سواء كانت كلامًا أو موسيقى أو أصوات زلازل، تنتقل على شكل موجات. انتقال الموجة، أو ما يسمى بالانتشار، له سرعة مختلفة باختلاف المادة التي ينتقل خلالها، مثل الماء أو الهواء. التردد هو عدد مرات وقوع الحدث في وحدة الزمن. يمكن للبشر سماع الأصوات في نطاق يتراوح عادة بين 20 هرتز و 20000 هرتز، بينما يمكن للكلاب سماع ما يصل إلى 60000 هرتز، ويمكن لبعض الخفافيش سماع أصوات منخفضة تصل إلى 1 هرتز.

الشوكة الرنانة هي أداة تصدر صوتًا بتردد معين، ويعتمد صوتها على طولها. يمكن استخدامها لضبط الآلات الموسيقية ولقياس سرعة الصوت في الهواء. لقياس سرعة الصوت باستخدام الشوكة الرنانة، نحتاج إلى:

• شوكة رنانة بتردد معروف.
• وعاء زجاجي أسطواني طويل.
• ماء.
• مطرقة مطاطية.
• مسطرة.

الخطوات:

1. املأ نصف الوعاء الزجاجي بالماء.
2. اضرب الشوكة الرنانة بالمطرقة المطاطية.
3. امسك الشوكة الرنانة فوق فتحة الوعاء الزجاجي.
4. مع إبقاء الشوكة الرنانة فوق الفتحة، صب المزيد من الماء ببطء في الأسطوانة.
5. استمع إلى النقطة التي يحدث فيها تغيير في درجة الصوت (التردد).
6. أزل بعض الماء ثم أضفه مرة أخرى حتى تحدد بدقة ارتفاع الماء الذي يقفز عنده التردد.
7. احسب سرعة الصوت عند هذا الارتفاع باستخدام المعادلة التالية:

v = 4f (H + 0.4D)

حيث:

• v: سرعة الصوت.
• f: تردد الشوكة الرنانة بالهرتز.
• H: المسافة بين قمة الماء وحافة الأسطوانة.
• D: قطر وعاء الماء بالأمتار.

المراجع

1. “Speed of Sound, Frequency, and Wavelength”, openstax.
2. “Sound Waves and Music – Lesson 2 – Sound Properties and Their Perception”, physicsclassroom.
3. “Sound Resonance: How to Calculate Speed of Sound”, education.