سرعة الصوت في الهواء

الصوت

ينشأ الصوت بفعل اهتزاز جُزيئات المادّة مُشكِّلاً موجات صوتيّة، وبعد ذلك تنتقل هذه الموجات من الأجسام -والتي تُعدّ مصدر الصوت- إلى جميع الاتجاهات حولها. ترتدّ الموجات الصوتيّة أثناء انتقالها عبر الأجسام، مُشكِّلةً المزيد من الاهتزازات والضجيج في الوسط، وهذا بدوره يؤدّي إلى اهتزاز طبلة أذن الإنسان، فيستجيب دماغ الإنسان لهذا الصوت. تُعدّ موجات الصوت موجات طوليّة، وهذا النوع من الموجات تنتقل فيه الاهتزازات في جزيئات الأجسام بنفس اتّجاه الموجة.^[١][٢][٣]

إنَّ الموجات هي عبارة عن انتقال للطاقة من خلال الاضطرابات الناتجة داخل وسط مُعيَّن، ويُمكن تقسيم الموجات إلى موجات طوليّة وموجات مُستعرضة؛ وذلك تبعاً لاتّجاه اهتزاز جُزيئات الجسم، ففي الموجات الطوليّة يكون اتجاه اهتزاز الجُزيئات بنفس اتجاه انتقال الطاقة، أمّا الموجات المُستعرضة، فيكون اتجاه حركة الجُزيئات عموديّاً على اتجاه انتقال الطاقة.^[٤]

سرعة الصوت في الهواء

ينتقل الصوت في الغازات عن طريق تصادُم جُزيئات الغاز ببعضها البعض، وتكون حركة هذه الجزيئات عشوائيّة؛ لهذا، فإنَّ سُرعة الصوت تعتمد على حالة هذا الغاز؛ حيثُ تختلف حالة كُلّ غاز عن حالة غاز آخر، ويُمكن التعبير عن ذلك بثابت مُعيَّن لكل غاز يُقاس بوحدة م²/ث²/كلفن، ويُقدَّر هذا الثابت ب286 للهواء، وبحسب وكالة ناسا؛ فإنَّ سُرعة الصوت يُمكن حسابها من خلال القانون التالي:^[٥]

سرعة الصوت في الغازات=الجذر التربيعي(مُعامل ثابت الاعتلاج×ثابت الغاز×درجة الحرارة المُطلقة)؛ حيثُ يُقدَّر ثابت الاعتلاج (بالإنجليزيّة: Ratio of specific heats) ب1.4 للهواء ذات السعرات الحراريّة المثاليّة، أمّا درجة الحرارة المُطلقة، فهي تُقاس بوحدة الكلفن عن طريق جمع درجة الحرارة المئويّة مع العدد 273.15.^[٥]

تبلُغ سرعة الصوت في الهواء عند درجة حرارة صفر مئويّة 332م/ث، ويكون انتقالها على شكل موجات طوليّة،^[٦] ولحساب سرعة الصوت في الهواء، فإنّه يمكن استخدام القانون التالي:^[٧]

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

يمكن حساب سرعة موجة الصوت بمعرفة تردد الموجة وطولها باستخدام القانون التالي:^[٨]

سرعة الموجة=التردُّد×الطول الموجي

تعتمد سُرعة انتقال الصوت على درجة حرارة الهواء الذي تنتقل فيه موجات الصوت؛ وذلك لكون جُزيئات الغاز تتحرَّك بسُرعات مُختلفة باختلاف درجات الحرارة، فكلّما زادت درجة حرارة الهواء، زادت سُرعة حركة جُزيئات الهواء، وبالتالي تزداد سُرعة الصوت، والعكس صحيح لدرجات الحرارة المُنخفضة؛ فعلى سبيل المثال تبلُغ سُرعة الصوت في الهواء عند درجة الحرارة 15 درجة مئويّة 1225 كم/ساعة.^[٩]

أمثلة على حساب سُرعة الصوت

• مثال (1): في يوم بارد، كانت درجة حرارة الهواء 3 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 0.6×3=333.2م/ث.

• مثال (2): في يوم حار، كانت درجة حرارة الهواء 38 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 0.6×38=354.2م/ث.

• مثال (3): جهاز موضوع في الهواء الطَّلق يُصدر صوت ذات تردُّد 15000 هيرتز، فإذا كان الطول الموجي لموجات الصوت الناتجة هو 0.023 متر. جد سرعة الصوت بالإضافة لدرجة حرارة الهواء.^[٨]

الحل:

باستخدام قانون حساب سُرعة الموجة، فإنّه من الممكن حساب سرعة الصوت الصادر باستخدام تردُّده وطوله الموجي؛ حيثُ إنَّ الصوت عبارة عن موجات، وبالإمكان تطبيق أي قانون مُتعلِّق بالموجات عليه، ويتم ذلك كالتالي:

سرعة الموجة=15000×0.023=345م/ث.

سرعة الصوت=345م/ث.

يمكن الآن استخدام قانون سرعة الصوت في الهواء لمعرفة درجة الحرارة، حيثُ أنّها القيمة المجهولة الوحيدة:

345=331.4 (0.6×درجة الحرارة)

بنقل العدد 331.4 للجهة الأخرى من المعادلة وطرحه من العدد 345، فإنَّ الناتج هو كالتالي:

13.6=0.6×درجة الحرارة

بقسمة طرفي المعادلة على 0.6، فإنَّ الناتج هو:

درجة الحرارة=22.67 درجة مئويّة.

سرعة الصوت في الهيليوم

تبلُغ سُرعة الصوت في غاز الهيليوم حوالي 972م/ث (عند درجة الحرارة صفر درجة مئويّة)؛ حيثُ تكون سُرعة الصوت في الهيليوم أسرع بكثير منها في الهواء؛ وذلك لأنَّ كثافة الهيليوم أقل من كثافة الهواء. إنَّ سبب تحوُّل صوت الإنسان إلى صوت مُضحك عند استنشاقه لغاز الهيليوم هو الزيادة الكبيرة في سُرعة الصوت عند انتقاله خلال هذا الغاز.^[١٠]

سرعة الصوت في أوساط أخرى

إنَّ انتقال الصوت يكون أسرع ما يُمكن في الأوساط الصلبة؛ وذلك لأنّ جُزيئات الموادّ الصُّلبة تكون مُلتصقة جدّاً ببعضها أكثر ما يُمكن، وذلك بعكس جُزيئات السوائل والغازات والتي تكون جُزيئاتها غير مُتراصّة مع بعضها البعض، وهذا التراصّ في جُزيئات المواد الصُّلبة 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.^[١١]

تبلُغ سُرعة الصوت في المطّاط حوالي 60م/ث، وفي الهواء عند درجة الحرارة 40 درجة مئويّة تكون سُرعة الصوت قرابة 355م/ث، أمّا عند درجة الحرارة 20 درجة مئويّة فتبلغ سرعته حوالي 343م/ث. إنَّ سُرعة الصوت في الذَّهب تبلغ حوالي 3240م/ث، أمّا في الزجاج فتبلغ سرعة الصوت 4540م/ث، وفي الألمنيوم فسرعة الصوت تبلغ قرابة 6320م/ث.^[١٢]

علم الصوت

إنَّ علم الصوت (بالإنجليزيّة: Acoustics) هو العلم الذي يُعنى بدراسة آليّة انتقال الصوت، وكيفيّة إنتاجه، بالإضافة لمؤثِّراته، وطريقة التحكُّم فيه. إنَّ علم الصوت له صلة في مجالات واسعة، فهي تدخل في دراسة الآلات الموسيقيّة، بالإضافة لكيفيّة التحكُّم بالضوضاء، والسونار (بالإنجليزيّة: SONAR) والتي تُستخدَم في كشف أعماق البحار، كما أنّها أيضاً تهتم بدراسة الموجات فوق الصوتيّة المُستخدمة في مجال الطب، ويدخل علم الصوت أيضاً في مجال علم الزلازل (بالإنجليزيّة: Seismology)، وعلم الصوتيّات الحيويّة (بالإنجليزيّة: Bioacoustics).^[١٣]

المراجع

1. ↑ "What Is Sound?", Apple.com, Retrieved 26-4-2017. Edited.
2. ↑ "What is sound?", DOSITS, Retrieved 26-4-2017. Edited.
3. ↑ "Longitudinal wave", Encyclopedia Britannica, Retrieved 26-4-2017. Edited.
4. ↑ "Longitudinal Wave", Physics Classroom, Retrieved 26-4-2017. Edited.
5. ^ ^{أ ب} "Speed of Sound", NASA, Retrieved 26-4-2017. Edited.
6. ↑ "Sound Waves", TutorVista.com, Retrieved 24-3-2017. Edited.
7. ↑ "Speed of Sound in Air", HyperPhysics, Retrieved 22-3-2017. Edited.
8. ^ ^{أ ب} "Lesson 49: Properties of Sound", studyphysics.ca, Retrieved 25-3-2017. Edited.
9. ↑ Elizabeth Howell (31-5-2013), "What Is the Speed of Sound?"، Livescience, Retrieved 26-4-2017. Edited.
10. ↑ "Sound Speed in Helium", HyperPhysics, Retrieved 26-4-2017. Edited.
11. ↑ "Speed of sound", BBC, Retrieved 22-3-2017. Edited.
12. ↑ "The Speed of Sound In Other Materials", NDT Resource Center, Retrieved 26-4-2017. Edited.
13. ↑ "What is Acoustics?", Acoustics Research Group, Retrieved 22-3-2017. Edited.