2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الموجات الصوتية البالون الفيزياء

الأهداف

1- إبطاء الموجات الصوتية.

2- استكشاف كيفية انتقال الموجات الصوتية عبر الغازات المختلفة.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– قارورة بلاستيكية ذات عنق ضيق

– قمع

– معلقة

– مقدار معلقتين كبيرتين من مسحوق خميرة الخَبْز (بيكينغ باودر – بيكربونات الصودا)

– خل

– بالون

– خيط وشريط لاصق

– صحن صغير

– جهاز راديو

 

خطوات العمل:

1– استخدم القمع لإضافة ملعقتي طعام من مسحوق خميرة الخَبْز (البيكنغ باودر) داخل القارورة البلاستيكية.

2– أضف كمية من الخل. ربما ترى فوراناً أو تسمع صوته بسبب التفاعل الكيميائي الذي ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون.

3- ضع البالون بسرعة فوق عنق القارورة. ستلاحظ أن البالون أخذ ينتفخ بسبب دخول غاز ثاني أكسيد الكربون فيه.

4- عندما ينتفخ البالون بالكامل. أربط عنقه بإحكام أو أغلقه بواسطة الشريط اللاصق.

5– ثبت البالون بإحكام على الصحن بالشريط اللاصق كي لا يتحرك.

6- ضع جهاز الراديو على طاولة على بعد 1.5 قدم (45سم) من البالون ثم شغل الراديو. ارفع صوت الراديو، ثم ضع أذنك على الجانب الآخر من البالون وحرك رأسك حوله إلى أن تجد النقطة التي يكون الصوت عندها في حده الأعلى. أخفض صوت الراديو إلى الدرجة التي تكاد لا تسمع عندها الصوت. وإذا لم تتمكن من الوصول إلى مفتاح الصوت، اطلب من أحد أصدقائك أن يخفض الصوت أثناء استماعك

7– الآن أبعد البالون. هل أصبح صوت الراديو أعلى أم انخفض؟

 

يعود نجاح هذه التجربة إلى أن البالون مملوء بغاز مختلف عن الهواء المحيط به. وتستطيع التوجه إلى متجر ألعاب الأطفال وتشتري بالوناً مملوءاً بغازِ الهليوم، وهو عبارة عن غاز خفيف جداً.

إن البالونات المملوءة بهذا الغاز تطير في الهواء لأن الهليوم أخف وزناً من الهواء.

كرر التجربة باستخدام بالون الهليوم وقارن نتائجك. كما أن بإمكانك أيضاً أ، تقوم بتجارب المتابعة هذه من دون شراء بالون مملوء بغاز الهليوم.

 

متابعة (1)

كرر التجربة، ولكن بدلاً من استخدام بالون مملوء بغاز ثاني أكسيد الكربون استخدام بالوناً آخر قمت بنفخه بالهواء عن طريق منفاخ الدراجات الهوائية (الهواء من مضخة الهواء يكون أقل رطوبة من نَفَسِك فيما لو نفخته عن طريق الفم).

ستكتشف هذه المرة أن البالون أحدث اختلافاً بسيطاً في الصوت الصادر عم الرادية. ولأن البالون والهواء المحيط به متماثلان، لم يُحدث البالون أي اختلاف في الطريقة التي تنتقل خلالها الموجات الصوتية.

 

متابعة (2)

1- كرر التجربة الأصلية التي استخدمت فيها البالون المملوء بغاز ثاني أكسيد الكربون، ولكن حرك رأسك نحو الخلف والأمام إلى أن تكتشف نقطة يكون عندها صوت الرادية في أعلى درجاته.

2- قِسْ المسافة من الراديو إلى البالون ومن البالون إلى رأسك.

 

3– سجّل الأرقام التي ظهرت في الحالتين في الجدول، كما في الأعلى.

4- الآن حرك الراديو لمسافة أقرب إلى البالون وحرك رأسك نحو الخلف والأمام إلى أن تجد نقطة جديدة للصوت العالي.

 

5- قِسْ مرة أخرى المسافة من الراديو إلى البالون ومن البالون إلى رأسك.

6- حرك الراديو لمسافة أبعد عن البالون مما كانت عليه بالأصل، واكتشف مرة أخرى نقطة جديدة للصوت العالي.

 

7- قِسْ مرة أخرى المسافة من الراديو إلى البالون ومن البالون إلى رأسك.

8– كرر التجربة مرات عديدة حسب رغبتك، ثم دقق في نتائجك. كيف تتغير المسافة بين البالون ورأسك عندما تتغير المسافة بين الراديو والبالون؟

 

متابعة (3)

توجه إلى الخارج إلى أحد الأماكن المزدحمة ومعك بالون ثاني أكسيد الكربون، ثم ضعه على إحدى أذنيك.

لاحظ كيف تستطيع سماع الأصوات البعيدة بشكل أوضح لأن البالون يقوم بدور التلسكوب الصوتي، حيث يعمل على تركيز الأصوات البعيدة بحيث تصبح أعلى عند نقطة قريبة من البالون.

 

تحليل النشاط:

عندما كان البالون المملوء بالغاز بين أذنك والراديو، لعلك توقعت أن البالون سيحجب الموجات الصوتية، وربما توقعت أيضاً أ، الصوت سيكون أعلى إذا أبعدت البالون.

ولا بدّ أنك وجدت أنه من الأسهل أن تسمع صوت الراديو عندما كان البالون في مكانه من أن تبعده عن ذلك المكان.

ورغم أن الهواء يحتوي على نسبة ضئيلة من ثاني أكسيد الكربون، إلا أن النسبة الأعظم فيه تتكون من الأكسجين والنتروجين.

 

إن جزيئات (جسيمات صغيرة) ثاني أكسيد الكربون أثقل وزناً من جزيئات هذه الغازات الأخرى، وينتقل الصوت من خلال ثاني أكسيد الكربون نحو أبطأ من انتقاله عبر الهواء، لأن جزيئات ثاني أكسيد الكربون أثقل وزناً.

لذلك، فإن الموجات الصوتية التي تنتقل عبر البالون تسير بشكل أبطأ من الموجات المنتقلة عبر الهواء القريب من البالون.

 

وهذا ما يجعل الموجات الصوتية خارج البالون تنكسر نحو الداخل كما تنكسر أشعة الضوء نحو الداخل بواسطة العدسة المحدبة.

(العدسة المحدبة تكون أكثر سماكة في الوسط مقارنة بسماكتها في الأطراف). ويؤدي البالون دور العدسة الصوتية، حيث يقوم بتركيز الصوت وجعله يبدو أكثر ارتفاعاً.

 

لقد واجهت صعوبة في معرفة فيما إذا كان الصوت أعلى لو أبقيت البالون في مكانه أم أزحته بعيداً.

بإمكانك محاولة تغطية أذنك الثانية (الأذن الأبعد عن الراديو) أو حجب السمع عنها تماماً باستخدام سدادات الأذن.

إن الصوت الذي يصل إلى هذه الأذن ربما لم ينتقل عبر البالون (ولعله ارتد عن الجدران، مثلاً)، لذلك من المحتمل أن يكون ذلك قد غيّر من نتائج تجربتك.

 

الصوت تحت الماء

يستطيع الغواصون سماع تأثيرات الهليوم على الصوت لأنهم يتنفسون مزيجاً من الأكسجين والهليوم بدلاً من الهواء العادي، وهو في الغالب مزيج من الأكسجين والنتروجين.

ويساعدهم ذلك على تجنب التعرض لحالة مؤلمة تسمى آلام انخفاض الضغط الجوي عند خروجهم إلى السطح. لكن صوت الغواصين وهو يتحدثون في هذا الوضع يكون على شكل صرير مضحك.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

سرعة الصوت الصوت الفيزياء

عندما تتغير سرعة الموجة الصوتية يتغير اتجاهها أيضاً، وكما هو الحال في الأمواج الضوئية، يمكن أن تنعكس الموجات الصوتية أيضاً، وهذا يسمح بصنع "عدسات" و"مرايا" للصوت.

لعلك لاحظت أنك إذا قمت بوضع عصا في الماء بحيث يكون نصفها داخل الماء والنصف الآخر خارج الماء، ستبدو العصا كما لو أنها محنية في النقطة التي يلتقي عندها الماء والهواء.

وسبب ذلك هو أن سرعة انتقال الضوء في الماء والهواء مختلفتان. إن سرعة انتقال الموجات الضوئية في الماء أبطأ من انتقالها في الهواء، وهذا الاختلاف في السرعة يسبب انحناء (انكسار) الموجات الضوئية عندما تنتقل من الماء إلى الهواء، بحيث تبدو العصا وكأنها معوجّة.

 

وكما هو الحال في الموجات الضوئية، تنتقل الموجات الصوتية أيضاً بسرعات متباينة تبعاً للمواد المختلفة التي تمر من خلالها.

وتنتقل الموجات الصوتية على نحو أسرع في السوائل والأجسام الصلبة، مقارنة بالهواء، كما أنها تنتقل عبر الهواء الدافئ أسرع من انتقالها عبر الهواء البارد.

تنحني الموجات الصوتية عند انتقالها من جسم إلى آخر، حيث تختلف سرعتها طبقاً لتلك الأجسام، فالموجات الصوتية تنكسر، مثلاً، عند انتقالها من الماء إلى الهواء، وكذلك من الهواء الدافئ إلى الهواء البارد.

 

ويفسر هذا التغير في سرعة الصوت تحت تأثير درجة الحرارة سبب سماعنا الأصوات في الليل بصورة أوضح مما عليه الحال في النهار، إذ يكون الهواء القريب من الأرض ليلاً أكثر برودة من الهواء في الطبقات العليا من الجو.

وينتقل الصوت بصورة أبطأ في طبقات الهواء المنخفضة الأكثر برودة، بينما ينتقل بسرعة أكبر خلال الهواء الدافئ في طبقات الجو العليا.

يؤدي هذا الاختلاف إلى انكسار الموجات الصوتية باتجاه الأرض، ما يجعلنا نسمع الأصوات البعيدة من مسافات كبيرة.

 

تتكون خلال النهار طبقة من الهواء الساخن قرب الأرض، وفي هذا الحال تنتقل الموجات الصوتية القريبة من الأرض بصورة أسرع من انتقالها خلال الطبقات العليا من الهواء، ما يؤدي إلى انكسارها نحو الأعلى بعيداً عن مسامعنا.

وهذا يعني أنه عند مستوى سطح الأرض يمكن سماع الأصوات من مسافات بعيدة أثناء الليل عندنا يكون الهواء أكثر برودة. خلافاً لما هو عليه الحال خلال النهار.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

شدة الصوت الصوت الفيزياء

الأهداف

1- قياس الطول الموجي للأصوات الناتجة داخل أنبوب أجوف.

2- ملاحظة كيفية اعتماد الطول الموجي على درجة الصوت للشوكة الرنانة.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– دلو مملوء حتى ثلثيه بالماء

– أنبوب بلاستيكي طويل أو أنبوب من الكرتون (من النوع الذي يستعمل في إرسال الصور الإعلانية بداخلها عن طريق البريد) مفتوحاً من الطرفين

– شوكات رنانة مختلفة ومتعددة النغمات

– مسطرة وقلم

 

خطوات العمل:

1- ضع الأنبوب في الماء بشكل قائم بحيث يصل مستوى الماء قريباً من حافته العلوية. اطرق إحدى الشوكات الرنانة في أعلى الطاولة وامسك بها أثناء اهتزازها فوق نهاية الأنبوب المفتوح البارز من الماء.

2- استمع جيداً وأنت تسحب الأنبوب من الماء (مع إبقاء الشوكة محمولة فوق فتحة الأنبوب). تابع الإصغاء إلى أن تصل إلى نقطة يكون فيها صوت الشوكة الرنانة في أعلى درجاته.

 

3- عندما تكتشف النقطة التي يصل إليها الصوت في أعلى مستوى له، حدد تلك النقطة بوضع علامة مستعيناً بالقلم.

4- أخرج الأنبوب من الماء، قسْ المسافة من الإشارة إلى أعلى الأنبوب (الطرف الذي لم يُغمس في الماء) ثم سجل المسافة التي حصلت عليها.

5– أعد الأنبوب إلى الماء، وحركه نحو الأعلى والأسفل إلى أن تجد نقطة أخرى يكون الصوت عندها في أشده. ضع إشارة على هذه النقطة بالقلم أيضاً.

6– قسْ المسافة من الإشارة الثانية إلى نهاية الأنبوب، وسجل هذه المسافة. والآن خذ شوكة رنانة أخرى ذات نغمة أعلى، وكرر الخطوات من 1 إلى 4، مع تسجيل النتائج في كل مرة.

 

ضع نتائجك التي حصلت عليها أثناء قيامك بالنشاط حول الشوكة الرنانة في الصفحة السابقة في جدول يشبه هذا الجدول.

خصص حقولاً منفردة لكل شوكة رنانة وسجل المسافات من أعلى الأنبوب إلى النقطة التي يكون فيها الصوت على أشده في العمود المخصص من الجدول، وحاول أن تعيد التجربة مع إخراج الأنبوب من الماء حالما تكتشف أول ارتفاع للصوت.

 

هل اكتشفت نقاطاً أخرى لارتفاع الصوت؟ في حال اكتشافك مثل هذه النقاط، حددها بعلامة على الأنبوب.

قِسْ بعد ذلك المسافة من الطرف المفتوح في الأنبوب إلى كل نقطة تكتشفها كما فعلت من قبل، ثم سجل كل نقطة صوت عالية في عمود منفصل.

 

تحليل النشاط:

تنشأ النقطة الأولى التي يكون فيها الصوت في أشده عندما يهتز الأنبوب أثناء تردده الرنيني وتتكون الموجة الموقوفة في داخله.

وتحوي الموجة الموقوفة العقدة (النقطة التي لا يتحرك فيها الهواء)، حيث يكون الأنبوب مغلقاً بالماء، وقاع الموجة (حيث تكون حركة الهواء مرتفعة) في الطرف المفتوح (العمود 1، إلى اليسار).

كما يسمحبتشكيل ربع موجة داخل الأنبوب، بحيث يكون الطول الموجي لكامل الموجة الموقوفة مساوياً لأربعة أمثال المسافة التي قمت بقياسها.

 

قم بإجراء الحساب من خلال جدولك وذلك بضرب المسافة في العمود الأول بالرقم 4. تمثل الأرقام التي تحصل عليها الأطوال الموجية للشوكات الرنانة المختلفة.

ستكتشف أن الطول الموجي يصبح أقل عندما تصبح نغمة صوت الشوكة الرنانة أعلى درجة.

يمكن أن تتشكل موجات موقوفة أخرى في الأنبوب، كما تنشأ موجة ثانية عندما تتكون ثلاثة أرباع الموجة في الأنبوب (العمود 2، إلى اليسار)

 

وكذلك يمكن أن تتشكل موجة موقوفة ثالثة عندما يكون طول الأنبوب مساوياً خمسة أرباع طول موجي (العمود 3، إلى اليسار)، وأي نقاط صوتية عالية أخرى قد تكتشفها سيكون سببها الموجات الأخرى.

اضرب المسافة في العمودين الثاني والثالث بـ 1.3 و 0.8 على التوالي من أجل حساب الطول الموجي. ولابدّ أن تكون الأرقام متماثلة تقريبا بالنسبة لكل شوكة رنانة.

 

ما العمل لو أنني لم أتمكن من سماع أي تغيرات في الصوت؟

إن التغير في حجم الصوت ربما لا يكون عالياً كما تتوقع. لذا عليك أن تقوم بالتجربة مرة أخرى داخل غرفة هادئة وحاول أن تصغى بشكل جيد.

وإذا لم تكتشف أي تغيير قد يكون طول الأنبوب الذي تستخدمه غير كافٍ، لذلك ينبغي لك أن تستخدم أنبوباً أطول.

 

انهيار الجسور

تهتز الجسور عندما يمشي الناس فوقها أو إذا عصفت بها رياح عاتية.

وإذا كان تردد الاهتزاز مساوياً أو قريباً من التردد الطبيعي للجسر يمكن أن يهتز الجسر بصورة عنيفة قد تؤدي إلى سقوطه.

وقد حصل هذا الأمر عندما تسبب الرنين في انهيار الجسر المعلق فوق ممرات "تاكوما" بولاية واشنطن عام 1940.

 

الموجة الموقوفة

عندنا تتشكل موجة موقوفة داخل أنبوب مفتوح، يكون طول الأنبوبة مساوياً ربع الطول الموجي للموجة الصوتية، لذلك فإن طول الموجات الصوتية الكاملة الناتجة لا بدّ أن يكون أطول من الأداة المستخدمة بأربع مرات.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الموجات الموقوفة الطول الموجي الفيزياء

تصدر آلات النفخ الخشبية و"الكلارينت" (المزمار) والأرغن الأصوات عندما تهتز الموجات الصوتية داخل أنابيبها المجوفة.

ويمكنك أن ترى طريقة عملها إذا أخذت زجاجة فارغة ونفخت من خلال عنقها. سترى أن الزجاجة تصدر نغمة موسيقية ذات درجة صوتية مميزة، لأنك تجع الهواء في داخلها يهتز عندما تنفخ فيها.

 

لكن اهتزاز الهواء داخل الزجاجة سيحدث بطريقة محددة لأن الهواء يعجز كلياً عن الاهتزاز في قعر الزجاجة وحيث تكون الزجاجة محكمة السد.

أما في قمة الزجاجة التي تكون مفتوحة بشكل كامل، فيستطيع الهواء أن يهتز بحرية ويصدر نوعاً من الموجات الصوتية الجامدة تسمى الموجات الموقوفة بين أعلى الزجاجة وقعرها.

 

وتتخذ الموجة الصوتية شكل ربع موجة عادية ويطلق على أضيق نقطة فيها، حيث لا يوجد أي اهتزاز، اسم "العقدة".

وهي التي تحدث في قهر الزجاجة. أما أوسع نقطة فيها، حيث يوجد أقصى درجة اهتزاز فتسمى قاع الموجة، وتحدث في الجزء العلوي من الزجاجة.

 

الطول الموجي

كما هو الحال في الأمواج المائية، تكرر الموجات الصوتية نفسها مرات عديدة.

راقب أمواج الشاطئ وستلاحظ أن للموجة قمة (أعلى الموجة) وقاع الموجة. وتسمى هذه المسافة بين قمتين متتاليتين (أو قاعين متتالين) الطول الموجي.

 

وإذا كان الطول الموجي للموجة الصوتية كبيراً كما هو الحال في صوت الناي في الرسم التوضيحي العلوي، ستصدر نغمة منخفضة.

أما إذا كانت قمم الموجات متقاربة كما هو مبين في الرسم التوضيحي السفلي فتكون النغمة أعلى بصورة ملحوظة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

التردد الطبيعي التردد الرنيني الفيزياء

تهتز جميع الأجسام بمعدل محدد يطلق عليه التردد الطبيعي.

إن هذا الاهتزاز هو السر وراء عمل معظم الآلات الموسيقية، بل ويمكن لهذا الاهتزاز أن يفسّر سبب انهيار بعض الجسور.

 

بلل إصبعك ثم مرره حول حافة كوب شراب كبير ثم كوب شراب صغير، فبينما تقوم بتمرير إصبعك حول حافة الكوب، يهتز الكوب ويصدر صوتاً.

ستجد أن اهتزاز الكوب الكبير أكثر بطئاً، وبالتالي فإن علامته الموسيقية أقل شدة من الكوب الصغير الذي يهتز بسرعة أكبر ويصدر علامة موسيقية ذات درجة أكثر ارتفاعاً.

 

الرنين

يُطلق على معدل اهتزاز الأجسام مصطلح "التردد". وكما هو الحال في أكواب الشراب، تملك جميع الأجسام الأخرى تردداً طبيعياً محدداً تميل عنده هذه الأجسام إلى الاهتزاز ويسمى التردد الطبيعي.

ويمكن في بعض الأحوال أن يتسبب إنشاد مطربي الأوبرا في تحطيم الأكواب إذا تساوت ترددات أصواتهم مع التردد الطبيعي للكوب.

 

فعندما تقوم المغنية بالغناء قرب الكوب تعم الطاقة المنبعثة من صوت المغنية لتشمل الكوب، وإذا كان تردد هذه الطاقة قريباً من تردد الكوب بصورة كافية، ستنتقل الطاقة إلى الكوب فيبدأ بالاهتزاز ويصدر صوتاً يحاكي صوت المغنية.

لقد حصل الشيء ذاته عندما مررت أصبعك حول حافة الكوب. وإذا استمرت المغنية في الغناء بطبقة الصوت والتردد ذاته، سيهتز الكوب أكثر فأكثر إلى أن تصبح الاهتزازات قوية إلى درجة تؤدي إلى تهشمه بالكامل.

 

أدوات موسيقية تصدح بالغناء

تعتمد غالبية الأدوات الموسيقية على الرنين في إصدار أصواتها المختلفة، فالأدوات الموسيقية الإيقاعية تهتز حسب تردد رنينها عندما تطرقها بيدك.

وتصدر الطبول صوتاً رتيباً لا يحمل أي علامات موسيقية عند قرعها، لكنك إذا استمعت إلى الطبول ضمن أحد الفرق السيمفونية ستلاحظ العديد من الطبول المختلفة ضُبطت جميعها كي تصدر نغمات ذات ترددات مختلفة.

 

وللأدوات الموسيقية – مثل "الزيلوفون" و"الفيبرافون" و"المرمبة" (وهي من آلات النقر الموسيقية) – أشكال مختلفة الأحجام مصممة بحيث تصدر نغمات مختلفة طبقاً لترددها الطبيعي.

بل إن أبسط أنواع الأدوات الموسيقية الإيقاعية كالمثلث لها تردد رنيني يميزها عن بقية الأدوات الأخرى، تستخدم الأنواع الأخرى من الأدوات الموسيقية الرنين بطرق مختلفة.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

طريقة قياس الصوت الصوت الفيزياء

الأهداف

1- قياس سرعة الصوت.

2- حساب سرعة الصوت بنفسك.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– شريط قياس

– جدار خارجي محاط بفضاء فسيح

– طبشور

– غطاء سلة مهملات

– ملعقة

– ساعة إيقاف

 

خطوات العمل:

1– قِسْ مسافة طولها 150 قدماً (50 م) من الجدار. يجب أن يكون القياس دقيقاً قدر الإمكان وتأكد من أن تكون على زاوية قائمة مع الجدار. حدد ذلك القياس على الأرض بواسطة الطبشور.

عد إلى الجدار وقم بقياس 150 قدماً (50 م) مرة ثانية من المكان نفسه كما فعلت من قبل. حدد المسافة بوضع علامة على الأرض مرة أخرى.

إذا كان القياسان بمسافة 150 قدماً (50 م) غير متماثلين، ارسم خطاً في منتصفهما. ومن خلال قياسك المسافة مرتين بهذه الطريقة ستحصل على قياس أكثر دقة من قياسك لها مرة واحدة.

2- ينبغي أن يقف الشخصان بمحاذاة بعضهما على الإشارة التي وضعتها بالطبشور ووجهيهما نحو الجدار يقوم أحد الشخصين بتشغيل ساعة الإيقاف في الوقت ذاته الذي يصدر الشخص الآخر فيه صوتاً حاداً عن طريق القرع على الغطاء المعدني لسلة المهملات.

 

3- عندما تسمع صدى الضجيج قم بإصدار صوت آخر من مولد الأصوات بحيث يحدث الصدى والقرع في الوقع نفسه. كرر ذلك 20 مرة.

وبعد أن قرعت الغطاء للمرة العشرين، استمع للصدى العشرين. عندما تسمعه أوقف ساعة الإيقاف مباشرة وسجل الزمن الجديد بالدقيقة والثانية ثم سجل الزمن الكلي الذي استغرقته التجربة.

 

قمت في هذه التجربة بقياس الزمن الذي استغرقته الموجات الصوتية كي تنتقل منك إلى الجدار وتعود على شكل صدى (300 قدم) 20 مرة. بلغت المسافة الكلية التي تمت تغطيتها 300 × 20 أو 6000 قدم (2000 م).

السرعة تساوي المسافة تقسيم الزمن. لذلك، كي تحسب سرعة الصوت قم ببساطة بتقسيم المسافة الإجمالية (6000 قدم) على الزمن الكلي الذي قمت بقياسه بالثانية، وستكون إجابتك بالقدم بالثانية.

كيف يمكن مقارنة قياسك لسرعة الصوت المتعارف عليها والتي تبلغ حوالي 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث)؟

 

ربما تجد أن النتيجة التي توصلت إليها قريبة من هذا الرقم، لكنه من غير المحتمل أن تكون نفسها.

إن الاختلافات في درجة حرارة الهواء والرطوبة الجوية تؤثر في سرعة الصوت وربما تجعل القيمة التي حصلت عليها تختلف عن 1128 قدماً في الثانية.

ولأنك قمت بحساب السرعة عن طريق أخذك قياسين، فهناك سببان آخران حول الحصول على قياسات ربما تكون مختلفة عمّا توقعته، ولعلك أخطأت في قياس المسافة أو الزمن.

 

غالباً ما يلجأ العلماء إلى إعادة تجاربهم مرات عديدة ويعتمدون متوسطها من أجل الدقة.

كما يمكنك إعادة التجربة بالوقوف عند مسافات مختلفة من الجدار، أو القيام بالتجربة في أماكن أخرى أو الطلب من أصدقائك أن يقوموا بأخذ القياسات بدلاً عنك.

 

ومتى قمت بأخذ عدة قياسات لسرعة الصوت، خذ متوسط الأرقام التي حصلت عليها عن طريق جمع القياسات كلها وتقسيم الحاصل على عدد القياسات.

(لو أنك قمت بثلاثة قياسات منفصلة مثلاً، اجمع نتائج هذه القياسات وقسمها على ثلاثة).

 

كيف تؤثر درجة الحرارة والرطوبة في سرعة الصوت؟

حاول أن تقوم بالتجربة ذاتها في يوم أكثر حرارة وآخر أكثر برودة. يمكنك أن تقيس درجة الحرارة في كل يوم تجري فيه التجربة ثم تضع رسماً بيانياً يبيّن سرعة الصوت على المحور العمودي مقابل درجة الحرارة على المحور الأفقي.

ستكتشف أن سرعة الصوت تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة، كما يمكنك أن تقيس سرعة الصوت عندما يكون الهواء مشبعاً بالرطوبة (بعد عاصفة ماطرة على سبيل المثال).

 

تحليل النشاط

تبلغ سرعة الصوت المعيارية المعتمدة 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث)، أي ما يعادل 769 ميلاً في الساعة (1238 كم/سا).

وبعد أن أجريت هذه التجربة، ربما أدركت أن سرعة الصوت ليست ثابتة بل تتغير كثيراً. وربما خالفتْ نتائجك السرعة المعيارية للصوت (1128 قدماً في الثانية)، لأن سرعة الصوت متغيرة.

سواء أكان الصوت مرتفعاً أو منخفضاً فسرعة انتقاله تظل ثابتة، لكن هذه السرعة يمكن أن تتغير تبعاً لظروف محددة.

 

فعلى سبيل المثال، تزداد سرعة الصوت عندما ترتفع درجة الحرارة. فعند درجة حرارة تبلغ 70 درجة فهرنهايت (21 درجة مئوية) ينتقل الصوت عبر الهواء بسرعة 1128 قدماً في الثانية (344 متراً في الثانية)، ولكن على ارتفاع 40.000 قدم (12.192 م).

حيث تحلق الطائرات النفاثة يكون الجو شديد البرودة وتبلغ سرعة الصوت فقط 657 ميلاً (1060 كلم) في الساعة. ولو أجريت تجربك في أحد الأيام الباردة، كنت ستحصل على نتيجة أدنى من 1128 قدماً في الثانية.

كما تختلف سرعة الصوت في الهواء تبعاً للرطوبة الجوية الموجودة في الهواء. فإذا كان الهواء محتوياً على كمية زائدة من الرطوبة، كما هو الحال في الأيام الماطرة، ينتقل الصوت على نحوٍ أسرع من الأجواء الجافة.

 

ولو قمت بهذه التجربة خلال يوم ممطر أو رطب لحصلت على نتيجة تتجاوز 1128 قدماً في الثانية.

إن النتيجة التي تحصل عليها تتأثر أيضاً بزمن استجابتك (سرعة تشغيلك لساعة الإيقاف)، إذ إن هناك دائماً بعض التأخير بين سماع الصوت ولحظة الاستجابة.

 

تجارب دقيقة

ستقوم في هذه التجربة بقياس الزمن الذي يستغرقه الصوت في انتقاله ورجوعه عبر الجدار 20 مرة.

ويمكنك الاكتفاء بقياس الزمن بين تصفيقه واحدة وارتداد صداها. إلا أنه في حالة المسافات الأكثر طولاً فإن أي تأخير تقوم به في بدء أو إيقاف ساعة الإيقاف لن يكون ذا أهمية كبيرة بالنسبة للزمن الذي تقيسه، ما يجعل تجربتك أكثر دقة.

 

قياس سرعة الصوت

إن أول شخص قام بقياس سرعة الصوت في الهواء كان عالم الرياضيات الفرنسي (مارين ميرسين) (1588 – 1648).

ففي العام 1640 أظهرت عملياته الحسابية أن الصوت ينتقل بسرعة تبلغ 1000 قدم في الثانية (300 م/ث)، وهو رقم قريب من القيمة المتعارف عليها بين العلماء في الوقت الحاضر والتي اعتمدت سرعة الصوت على أنه 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث).

 

كم تبعد تلك العاصفة؟

تعلم الآن أن سرعة انتقال الصوت تبلغ حوالي 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث).

بإمكانك استخدام هذا الرقم لتحسب كم تبعد عنك إحدى العواصف الوشيكة وفي المرة القادمة التي تحدث خلالها عاصفة رعدية، انظر من النافذة. حالما تبصر البرق قم بتشغيل ساعة الإيقاف، ثم أوقفها حالما تسمع صوت الرعد.

ينتقل الضوء بشكل سريع حتى يُخيّل إليك أن زمن انتقاله من المصدر (البرق) إلى عينيك هو حَدَثٌ لحظي، لدرجة أنك ستجد صعوبة في قياسه، بينما يستغرق الصوت زمناً أطول كي يقطع المسافة في نفسها.

 

والزمن الذي قمت بحسابه هو الزمن الذي استغرقه الصوت لينتقل من الرعد إلى أذنك. لنقل إن الزمن الذي حسبته بين رؤية البرق وسماع صوت الرعد كان خمس ثوان.

تعلم أن سرعة الصوت هي 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث) إن المسافة إلى البرق تساوي السرعة ضرب الزمن أو 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث) × 5 ثوان = 5640 قدماً (أي أكثر قليلاً من ميل واحد).

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

العوامل المؤثرة في عملية انتقال الصوت عملية انتقال الصوت الصوت الفيزياء

ينتقل الصوت بسرعة أقل بكثير من سرعة انتقال الضوء.

وتمكن الإنسان من صنع طائرات تفوق سرعتها سرعة الصوت بست مرات ونصف. ويشار إلى تجاوز سرعة الصور بعبارة "اختراق حاجز الصوت".

إن الضوء والصوت عبارة عن موجات. وإذا سبق لك أن شاهدت صاعقة أو عاصفة رعدية عن بعد، ربما لاحظت وميض البرق يسبق دوي الرعد بثوان قليلة.

 

يحدث البرق والرعد في وقت واحد تقريباً، لكن الضوء ينتقل بسرعة تفوق سرعة الصوت ولهذا السبب يُبصر الإنسان البرق قبل سماع صوت الرعد.

ينتقل الضوء بسرعة تبلغ 186.000 ميلا بالثانية (300.000 كلم في الثانية)، أما سرعة الصوت في الهواء فتبلع حوالي 769 ميلاً في الساعة (1238 كم/ ساعة). تفوق سرعة أسرع طائرة نفاثة سرعة الصوت بما يزيد على ستة أضعاف ونصف سرعة الصوت.

وربما لاحظت أيضاً أنك تشاهد الطائرة النفاثة وهي تحلق من فوقك قبل أن تسمع صوت هديرها، وسبب ذلك هو أن الطائرة كانت تحلق بسرعة تفوق سرعة الصوت، أي إنها تترك الصوت الذي تحدثه خلفها.

 

تسمى سرعة الصوت أحياناً حاجز الصوت، وعندما تقوم طائرة "بخرق حاجز الصوت" حين تتجاوز سرعتها سرعة الصوت فإنها تحدث دوياً هائلاً يسمى دوي اختراق حاجز أو جدار الصوت. أما سبب هذا الصوت فهو اضطراب الضغط المحيط بالطائرة أو ما يسمى "الموجات الصدمية".

ولا ينتقل الصوت دائماً بالسرعة نفسها، إذ تعتمد سرعته في الهواء على درجة الحرارة والرطوبة الجوية. إن زيادة درجة فهرنهايت واحدة في درجة حرارة الجو تزيد من سرعة الصوت في الهواء ما يتجاوز 1 قدم (30 سم) في الثانية.

كما تزداد سرعة الصوت أيضاً أثناء ارتفاع رطوبة الهواء. ففي الأجواء الرطبة ينتقل الصوت بسرعة أكبر من سرعته في الأجواء الجافة.

 

ينتقل الصوت أيضاً بسرعات مختلفة تتوقف على اختلاف المواد التي ينتقل عبرها، وينتقل أكبر في الأجسام السائلة والصلبة بالمقارنة مع الغازات، كالهواء، أما سرعة الصوت في الماء فهي أسرع بحوالي أربع إلى خمس مرات من سرعته في الهواء.

وتزداد سرعة الصوت في الماء الدافئ أكثر من الماء البارد، كما ينتقل الصوت على نحوٍ أسرع في الأجسام الصلبة، ففي بعض المعادن كالنحاس تتراوح سرعة الصوت بين 10 – 15 مرة أكثر من سرعته في الهواء. وتبلغ سرعة انتقال الصوت في الفولاذ حوالي 16.405 أقدام في الثانية (5.000 متر في الثانية).

ينتقل الصوت بسرعة أكبر مغطياً مسافات أبعد في الماء مقارنة بسرعته والمسافات التي يقطعها خلال الهواء، ولهذا السبب تستخدم بعض الحيوانات البحرية، كالحيتان، الصوت كأداة للتواصل فيما بينها.

 

وللسبب ذاته يستخدم علماء المحيطات (العلماء المتخصصون في دراسة البحار والمحيطات) الصوت لإجراء قياساتهم تحت الماء.

ومن خلال استخدام الصوت أصبح بالإمكان الحصول على حقائق مختلفة حول المحيطات، إذ تستطيع السفن المبحرة على سطح الماء أن تسبر أعماق البحار عن طريق استخدام جهاز يطلق عليه " المسبار الصدوي"، الذي يقوم بإرسال نبضات صوتية نحو قاع البحر ويدرس الوقت الذي يستغرقه الصوت المرتد من قاع البحر إلى الجهاز.

 

ولأن هذا الجهاز يعرف سرعة الصوت في الماء فهو بالتالي يستطيع حساب عمق البحر أو المحيط بضرب سرعة الصوت بالزمن الذي استغرقه الصدى لقطع المسافة نحو السطح.

كما يستخدم علماء المحيطات الصوت لقياس طبيعة الصخور والمواد الأخرى في قاع المحيطات ومتابعة تكسر الأمواج على السطح، بل وقياس درجة حرارة المحيطات أيضاً.

 

اختراق حاجز الصوت

تخضع الطائرة التي تطير بسرعة أقل من سرعة الصوت (1) لموجات ضغط في المقدمة والخلف.

وعندما تصل الطائرة سرعة الضوء 1 "ماك" 0 (2) تلحق بموجة الضغط التي تولدها. يتكدس الهواء ليكوّن موجة صدمية.

وفي هذه المرحلة تهتز الطائرة بشكل عنيف، ثم تنتشر الموجات الصدمية بعيداً عن الطائرة وتحدث دوياً صوتياً عند وصولها الأرض (3).

بعد أن تتجاوز سرعة الطائرة 1 ماك (4) يصبح طيرانها انسيابياً لأن الأمواج تكون خلف الطائرة، أي إن الطائرة تسير بسرعة تتجاوز الموجة الضغطية التي أحدثتها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

طريقة التحديد بالصدى الخفافيش الصدى الحيوانات والطيور والحشرات البيولوجيا وعلوم الحياة

إن الخفافيش حيوانات مذهلة، وليس السبب هو أنها الوحيدة من بين الحيوانات الثدية التي تستطيع الطيران وحسب، بل بسبب استخدامها شكلاً من أشكال السونار يسمى "التحديد بالصدى" للحصول على غذائها.

يرسل الخفاش موجات صوتية ذات تردد (درجة) عالٍ ثم يستمع إلى الصدى المرتد فيحدد خياراته، فإذا كان الصدى كبيراً وجب عليه تجنّب عقبة تقف في طريقه.

أما إذا كان الصدى منخفضًا فهذا يدل على وجود حشرات تكون غذاء له، ويستطيع الخفاش أن يحدد حجم وشكل وقوام الأجسام من خلال الصدى، إذ إنه يملك حساسية فائقة لما يسمعه من صدى.

وبإمكان الخفاش أن يميز أدق الأجزاء والحشرات الهائمة مهما صغر حجمها، كما يستطيع من خلال الصدى أن يتلمس طريقه في ظلام الليل عندما تنشط حركته ويطير بحثاً عن الطعام.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

كيفية تحديد مصدر الأصوات الأصوات الفيزياء

الأهداف

1- صنع جهاز بسيط لتحديد موقع الصوت.

2- اختبار مدى فائدته في تحديد مصدر الأصوات

 

الأدوات التي تحتاجها:

– 4 أقماع بلاستيكية

– أنبوبان من البلاستيك المرن طول كل منهما حوالي 4 أقدام (1.2 م)

– مقص

– شريط لاصق

– مسطرة أو قطعة خشبية ملساء طولها حوالي 3 أقدام (1 م)

– صلصال اللعب

– غطاء للعينين

– ساعة منبه أو راديو أو أي مصدر صوتي آخر

– أحد الأصدقاء لتقديم المساعدة

 

خطوات العمل:

1- قم بوصل كل قمع بكل طرف من الأطراف الأربعة للأنبوبين البلاستيكيين.

2- الصق القمعين الموصولين بالأنبوبين بطرفي المسطرة.

3- ضع قطعة من الصلصال على الكرسي وثبت المسطرة عليها

4- اطلب مساعدة صديقك. قم بتغطية عينيك وضع القمعين الآخرين على أذنيك. سيقوم صديقك بتشغيل المنبع الصوتي (في هذه التجربة جرس ساعة تنبيه) وتسجيل النتائج على دفتر الملاحظات.

5- يقوم صديقك باختيار مكان في الغرفة ويشغل جرس المنبه. ابق الغطاء على عينيك وحاول أن تحدد الجهة التي ينبعث منها الصوت بأن تشير إلى تلك الجهة.

6- كرر التجربة عدة مرات واطلب من صديقك أن يسجل عدد المرات التي أصبت فيها في تحديد جهة الصوت.

 

بعد أن أجريت هذا النشاط، لا بد أنك كوّنت فكرة حول قدرتك على اكتشاف الصوت من خلال جهاز تحديد مصدر الصوت.

وكي تتحقق من فعالية كاشف الصوت، يترتب عليك إجراء المزيد من التجارب ومقارنة النتائج.

ارسم جدولاً يتألف من أربعة أعمدة كالجدول إلى اليسار وضع عليه النتائج التي حصلت عليها من خلال استعمالك القمع كأداة لتحديد الأصوات.

 

حاول إعادة التجربة، لكن حاول هذه المرة أن تستخدم زوجاً واحداً من الأقماع بدلاً من اثنين. ضع قمعاً على أحد أذنيك وأنت معصوب العينين واستعمل يدك الأخرى لتغطية أذنك الثانية. كرر التجربة

الآن من دون استخدام القمع على الإطلاق. أشر إلى الجهة التي ينبعث منها الصوت بالاعتماد على أذنيك فقط. سجل النتائج في الجدول كما فعلت من قبل.

 

تحليل النشاط

لا بدّ أنك وجدت أن القمع (جهاز تحديد الصوت) كان ذا فائدة كبيرة في تكبير الأصوات الضعيفة، لكنه ليس أفضل من أذنيك ككاشف لمصدر الأصوات وتحديد اتجاهها.

إن استخدام الأذنين معاً أفضل دائماً من استخدام أذن واحدة، سواء استخدمت القمع أم لم تستخدمه.

 

ما سبب تفضيل الأذنين كوسيلة مُثلى لتحديد مصدر الصوت؟ إن الجزء الغضروفي الخارجي للأذن مؤلف من العديد من التعرجات والانثناءات.

يقوم صيوان الأذن بتجميع الأصوات كما يفعل القمع في التجربة، غير أن تعرجات وثنايا الأذن تقوم بتغيير الأصوات بطرق مختلفة. ومن خلال هذا التغيير يستطيع دماغنا أن يحدد بدقة الجهة التي ينبعث منها الصوت.

 

وعندما استعملت القمع كأداة لتحديد مصدر الصوت كان الصوت يذهب مباشرة إلى الأذن من دون أن يصطدم بتعرجاتها وثنياتها، وهذا يعني أن الدماغ لم يحصل على معلومات وافية تمكنه من تحديد مصدر الصوت بدقة.

يقوم دماغك عادة بتحديد اتجاه الصوت من خلال مقارنة الإشارات الصادرة عن الأذنين، وعندما تستخدم أذناً واحدة فقط، سواء باستخدام أداة تحديد الصوت أو من دونها، يجد دماغك صعوبة كبيرة في تحديد مصدر الصوت.

 

تقنية الإحاطة الصوتية

تستخدم أفلام الإثارة والحركة هذه التقنية كي تجعل ما يدور من أحداث يبدو أكثير واقعية، ويجري ذلك من خلال تثبيت مكبرات للصوت في محيط قاعة العرض بحيث يبدو الصوت منبعثاً من كل جهة، بل ومن خلف الجمهور أيضاً.

ويساعد أسلوب الإحاطة الصوتية على نقل الصور الصوتية للحركة وكأنها تحاكي الواقع، حيث يبدو صوت مركبة الفضاء كما لو كانت المركبة تحلق فوق رؤوسنا ووقع خطى الأشباح كما لو أن أشباحاً تزحف خلفنا.

 

أجهزة تقوية السمع

قبل اختراع أجهزة تقوية السمع كان الأشخاص الذين يعانون من ضعف السمع يستعينون بأداة لها شكل القمع يضعونها على أذنهم.

كانت تلك الأداة تقوم بتجميع الأصوات وتكبيرها. جرب هذه الطريقة بنفسك من خلال تكوير كف يدك ووضعها خلف أذنك. ستساعدك هذه الطريقة على سماع الأصوات الضعيفة بشكل أوضح.

 

التجربة الضابطة

يقوم العلماء عادة بتجربتين على الأقل قبل أن يقارنوا مجموعات نتائجهم.

ومن خلال تغيير شيء واحد في التجربة في كل مرة، يمكن العلماء من دراسة تأثير أي من التغيرات على النتائج التي يحصلون عليها.

ويطلق على التجربة التي لا يطرأ عليها أي تغيير عبارة التجربة الضابطة.

وفي هذا النشاط تضمنت التجربة الضابطة تحديد الأصوات باستخدام أذنيك وحسب، حيث قمت بمقارنتها بالنتائج التي توصلت إليها عند استخدامك القمع وتغطية إحدى الأذنين.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الصوت آلية رؤية الأشياء بواسطة الصوت الفيزياء

يوفر لنا الصوت طريقة مفيدة "لرؤية" الأشياء التي يتعذر علينا إبصارها.

وتستخدم السفن في بعض الأحيان بوقاً صوتياً لمساعدتها في تجنب الأخطار عندما تكون الرؤية صعبة بالقرب من السواحل.

يقوم قبطان السفينة بتشغيل البوق ثم يستمع إلى الصدى المرتد من الصخور والأجراف الساحلية. ومن خلال حساب اتجاه الصدى وزمن رجوعه يستطيع قبطان السفينة أن يحدد بشكل تقريبي موقع سفينته بالنسبة إلى الساحل.

 

كما تستخدم الخفافيش الطريقة ذاتها للتعرف على طريقها أثناء طيرانها في الظلام، حيث تستمع إلى رجع الصدى المنبعث من الأجسام في طريقها.

إن الأذن البشرية لا تملك درجة تحسس الصوت ذاتها التي تملكها الخفافيش، لكنها تستطيع أن تكوّن صورة معقولة عن موقع ومصدر الأصوات. وفي النشاط التالي ستقوم بصنع أداة بسيطة لتحديد الصوت ومقارنتها بأذنيك.

 

الرؤية من خلال السونار

ينتقل الضوء في مياه البحار على نحو رديء، ما يجعل السفن والغواصات تستخدم أجهزة صوتية كي "تبصر من خلال أعماق البحار".

ويستخدم صيادو الأسماء، على سبيل المثال، أجهزة صوتية تسمى السونار كي تحدد المواقع التي تكثر فيها الأسماك. وتستطيع تلك الأجهزة أن تحدد نوع تلك الأسماك البحرية، وكلمة سونار Sonar بالإنكليزية تضم الأحرف الأولى لعبارة Sound Navigation and Ranging (اكتشاف موقع الأشياء وتحديدها بواسطة الموجات الصوتية).

كما يستخدم جهاز السونار لسبر أعماق البحار وتشكيل صورة عن قاع البحر (انظر الصورة إلى الأسفل).

 

وتعمل أجهزة السونار من خلال إرسال موجات صوتية متلاحقة وقياس الوقت الذي يستغرقه الصدى ليرتدّ بعض اصطدامه بأحد الأجسام.

اختُرع هذا الجهاز في العام 1915 لمساعدة السفن في تجنب الجبال الجليدية أثناء إبحارها.

وقد جاء هذا الاختراع في أعقاب كارثة سفينة "التا يتا نك" في العام 1912 التي اصطدمت بجبل جليدي وغرقت في قاع المحيط في الأطلسي، ما أدى إلى مصرع 1515 راكباً كانوا على متنها.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]