سرعة الصوت وانتشاره في الأجسام الصلبة والسائلة والغازية

سرعة الصوت هي السرعة التي ينتشر بها الصوت على شكل موجة صوتية في وسط ، وهذا الوسط إما غاز أو سائل أو صلب ، ولا يمكن للموجات الصوتية أن تنتشر بدون وسيط كما هو الحال في فراغ مثل الفضاء الخارجي ، وعادة ما تقاس سرعة الصوت بواحد متر في الثانية (م / ث).

نظرًا للاختلاف في الخواص الفيزيائية والكيميائية للمواد والوسائط المختلفة ، غالبًا ما تختلف سرعة الصوت وفقًا للوسيط أو المادة التي ينتشر فيها. على سبيل المثال ، سرعة انتشار الصوت في الأجسام الصلبة أسرع بعدة مرات من سرعة انتشاره في الهواء والغازات ، كما تختلف سرعة الصوت باختلاف درجة حرارة الوسط وكثافة المادة المكونة له.

تبلغ سرعة الصوت في الهواء الجاف عند 20 درجة مئوية 343.2 مترًا في الثانية (1،236 كم في الساعة).

يعود سبب الاختلاف في سرعة الصوت بين الأجسام الصلبة والسائلة والغازية بشكل أساسي إلى ترابط الجزيئات والذرات التي تتكون منها هذه المواد. في المواد الصلبة ، ترتبط هذه الجسيمات مع بعضها البعض بقوة أكبر من الجزيئات التي تشكل السوائل والغازات.

تاريخ اكتشاف سرعة الصوت

كان العالم أول من وضع المبادئ التي تم من خلالها حساب سرعة الصوت إسحاق نيوتن في عام 1687 ، تمكن إسحاق نيوتن من تحديد سرعة الصوت وتقديرها بحوالي 298 مترًا في الثانية. هذه النتيجة لم تكن دقيقة مائة بالمائة ، حيث أنها تختلف عن الرقم الصحيح بنحو 15 بالمائة. يرجع هذا الخطأ في المقام الأول إلى حقيقة أن إسحاق نيوتن أهمل تأثير عدد من العوامل على سرعة انتشار الصوت ، مثل درجة الحرارة ومعدل ضغط الهواء.

ثم قام العالم لابلاس انتبه لهذه العوامل واحسب سرعة الصوت بدقة أكبر. لكن النتيجة لم تكن صحيحة بنسبة 100٪.

خلال القرن السابع عشر ، أجرى العلماء والباحثون عدة تجارب تهدف إلى قياس سرعة انتشار الصوت بدقة ، وشملت هذه التجارب كلاً من مارين ميرسين (1380 قدمًا باريسيًا في الثانية) في عام 1630 وبيير جاسندي (1473 قدمًا باريسيًا في الثانية) في عام 1635. وروبرت بويل (1125 قدمًا في الثانية باريس).

في 1759 نشر القس وليام درهم أفضل قياس دقيق لسرعة الصوت عند 1072 قدم باريس في الثانية.

تعد القدم الباريسية أطول من القدم العالمية التي تستخدم كأحد أيامنا ، ووفقًا لتعريفها الرسمي الذي تأسس عام 1959 تقدر بنحو 304.8 ملم.

استخدم القس دورهام تلسكوبًا أعلى برج الكنيسة في كنيسة سانت لورانس لمراقبة الضوء من بندقية بعيدة ، وعندما رأى ضوء البندقية ، قام بتشغيل بندول لحساب الوقت الذي يستغرقه صوت البندقية. طلقة للوصول ، وبلغ الفارق الزمني بين ضوء البندقية وصوتها نصف ثانية.

كرر دورهام هذه التجربة عدة مرات في عدد من الأماكن ، وبعد ذلك أجرى قياسات ليتمكن من حساب سرعة انتشار الصوت في الهواء بدقة.

ما هو الانتشار الصوتي؟

يحدث الصوت وينبعث من الأجسام نتيجة اهتزازها ، ويسمي العلماء الوسط الموجود على الجسم أو المادة التي ينتشر من خلالها الصوت ، ويمكن أن يكون هذا الوسط سائلًا أو صلبًا أو غازيًا.

تنتقل جميع الموجات الصوتية من المصدر ، وهو نقطة الاهتزاز ، إلى مكان المستمع.

انتشار الصوت هو مصطلح يشير إلى نقل الاهتزازات الصوتية من خلال واحد أو أكثر من الوسائط المتجاورة. عندما يهتز جسم أو مادة أو وسيط ، تنتقل الاهتزازات منه إلى الوسط المجاور أو إلى المواد المجاورة له ، حيث يهتز هذا الوسط أيضًا ، وبالتالي تنتقل موجة الاهتزازات الصوتية من وسيط إلى وسيط مجاور مما يؤدي إلى انتشارها.

تنتقل معظم الأصوات التي نسمعها في الهواء. عندما يهتز جسم أو وسيط ، فإنه يتسبب في دفع وضغط الهواء القريب منه ، فيسبب هذا الهواء المضغوط ضغطًا ويدفع جزيئات الهواء الأخرى بجانبه ، وتستمر العملية على هذا النحو حتى يصل الصوت إلى الأذن البشرية أو غيره من الأحياء. الأشياء.

أثناء انتشار الصوت عبر الهواء ، مناطق الضغط العالي حيث توجد الموجة الصوتية ومناطق الضغط المنخفض حيث تعود مناطق اهتزاز الهواء إلى التوازن.

لذلك ، يمكننا القول أن الصوت ينتشر على شكل موجة صوتية من خلال اختلاف الضغط داخل الوسط نفسه.

هل الصوت يحتاج إلى وسيط لينتشر؟

لأن الصوت عبارة عن موجة ميكانيكية ، فهو ضرورة يحتاج إلى وسيط فيزيائي لينتشر فيه ، يمكن أن يكون هذا الوسط سائلاً أو غازيًا أو صلبًا ، وإذا لم يتوفر الوسط فلن يتحرك الصوت أبدًا.

تم الوصول إلى هذه النتيجة من خلال عدد من التجارب ، وفيما يلي إحدى التجارب البسيطة:

تم وضع الجرس في وعاء زجاجي محكم الإغلاق ، وعندما تم تفعيل هذا الجرس سمع صوته لأن الموجة الصوتية تنتقل عبر الهواء داخل الحاوية إلى الزجاج الصلب ثم إلى الهواء خارج الحاوية وتصل إلى أذن المستمع ، ولكن عندما يتم سحب الهواء من داخل الوعاء باستخدام مضخة ، يبدأ الصوت في الانخفاض تدريجيًا ، وعندما يتم امتصاص كل الهواء الموجود في الحاوية ، يصبح صوت الجرس غير مسموع.

العوامل التي تؤثر على سرعة الصوت

ينتشر الصوت بسرعة ثابتة في وسط. كما يحدث أثناء العواصف الرعدية. أثناء العاصفة ، يمكن سماع صوت الرعد بعد لحظات قليلة من رؤية البرق ، لأن الصوت ينتقل بسرعة أقل بكثير من سرعة الضوء ، وتعتمد سرعته بشكل مباشر على الخصائص الفيزيائية للوسط الذي يمر من خلاله ينتشر.

بشكل عام ، تعتمد سرعة انتشار الصوت في الوسط على خاصيتين رئيسيتين:

درجة حرارة متوسطة

هذا عامل مهم ويؤثر بشكل مباشر على سرعة انتشار الصوت في الوسائط المختلفة. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تزداد سرعة انتشار الصوت ، على سبيل المثال ، عندما تكون درجة حرارة الهواء 0 درجة مئوية ، ينتشر الصوت بسرعة 331 مترًا في الثانية. ولكن عندما تكون درجة حرارة الهواء 22 درجة مئوية ، ينتشر الصوت بسرعة 344 مترًا في الثانية.

حالة الوسيط المادي

تختلف سرعة انتشار الصوت اختلافًا كبيرًا وفقًا للحالة الفيزيائية للوسط الذي ينتشر من خلاله. في الأجسام الصلبة ، تكون سرعة انتشار الصوت أكبر من سرعة الانتشار في الأجسام السائلة ، بينما تكون سرعة انتشار الصوت في الأجسام السائلة أسرع من سرعة الصوت في الأجسام الغازية.

يمكن تفسير هذه العوامل التي تؤثر على سرعة الصوت من خلال هذا الجدول الذي يتضمن سرعة انتشار الصوت في الوسائط المختلفة عندما تكون درجة حرارة هذه الوسائط 25 درجة مئوية:

المواد الصلبة:

  • المنيوم 6420
  • نيكل 6040
  • حديد 5950
  • نحاس 4700
  • زجاج صوان 3980

السوائل:

  • الماء (البحر) 1530
  • ماء (مقطر) 1498
  • الايثانول 1207
  • الميثانول 1103

غازات:

  • غاز الهيدروجين 1284
  • الهواء 346
  • أكسجين 316
  • 213- ثانى أكسيد الكبريت

سرعة الصوت في الماء

تختلف سرعة انتشار الصوت في الماء حسب عدد من العوامل مثل درجة الحرارة ودرجة الملوحة ووجود الشوائب العالقة في الماء.

في المياه العذبة بدرجة حرارة 20 درجة مئوية ، تبلغ سرعة الصوت 1481 مترًا في الثانية.

في مياه البحر المالحة الخالية من فقاعات الهواء والشوائب والرواسب المعلقة ، ينتقل الصوت بسرعة 1500.235 مترًا في الثانية (إذا كان الضغط 1000 كيلو باسكال ، تكون درجة الحرارة 10 درجات مئوية والملوحة 3 في المائة). ولكن عندما تختلف هذه الظروف ، تختلف سرعة الصوت أيضًا. تزداد سرعة انتشار الصوت مع زيادة ضغط الماء ، أي كلما كان أعمق ، وتزداد بمعدل تقريبي 4 أمتار في الثانية إذا زادت درجة حرارة الماء بدرجة واحدة مئوية. وبالمثل ، تزداد سرعة الصوت أيضًا بمعدل متر واحد في الثانية تقريبًا عندما تزداد ملوحته بنسبة 1٪.

ملاحظة مهمة: كما قلنا أعلاه ، تزداد سرعة انتشار الصوت في الماء مع زيادة الضغط وبالتالي العمق ، ولكن في الأماكن القريبة من سطح الماء ، تنخفض سرعة الصوت كلما نزولنا إلى أسفل ، لأن التأثير انخفاض درجة الحرارة في تقليل سرعة الصوت أكبر من تأثير الضغط العالي الذي يزيد من سرعة الصوت ولكن هناك حدود لذلك. في عمق ما يسمى "الحد الأدنى" ، يتغلب تأثير الضغط على تأثير خفض درجة الحرارة ، مما يؤدي إلى ارتفاع الصوت تدريجياً مع زيادة العمق عن هذا الحد الأدنى.

في السوائل غير المتجانسة مثل السوائل التي تحتوي على فقاعات هواء أو شوائب أو مادة معلقة ، تتأثر سرعة انتشار الصوت بكثافة السائل أو ضغط الهواء في الفقاعات أو كثافة المواد التي تتكون منها هذه الشوائب.

سرعة الصوت في الغازات

في الغازات ذات الوزن الجزيئي المنخفض كما هو الحال مع الهيليوم ، ينتقل الصوت بشكل أسرع مقارنة بالغازات الثقيلة مثل الزينون.

هل تؤثر الرطوبة على سرعة الصوت في الهواء؟

الرطوبة لها تأثير ضعيف للغاية ولكن تم قياس هذا التأثير. تزداد سرعة نقل الصوت في الهواء الرطب بمعدل 0.1 - 0.6 بالمائة. وذلك لأن جزيئات الهواء مثل الأكسجين والنيتروجين أخف وأقل كثافة من جزيئات الماء.

ما هو تأثير الارتفاع على سرعة الصوت؟

مع صعودنا ، ينخفض ​​ضغط الهواء وكثافته تدريجياً. ومع ذلك ، فإن تأثير انخفاض الضغط والشدة على سرعة الصوت ضئيل. يؤدي انخفاض الكثافة إلى زيادة سرعة الصوت بينما يؤدي انخفاض الضغط إلى انخفاض سرعة الصوت ، وبالتالي تلغي الكثافة والضغط بعضهما البعض.

العامل الرئيسي الذي يتسبب في انتشار سرعة الصوت في الهواء أثناء صعودنا هو درجة الحرارة. لكن هذا لا يعني أن سرعة الصوت ستنخفض دائمًا كلما اتجهنا لأعلى ، فهناك منطقتان من الغلاف الجوي ترتفع فيهما درجات الحرارة ، مما يؤدي إلى زيادة سرعة الصوت هناك.

بشكل عام ، تقل سرعة انتشار الصوت مع ارتفاعنا للأعلى ، ولكن في طبقة الستراتوسفير ، على ارتفاع حوالي 20 كيلومترًا ، تبدأ سرعة الصوت في الزيادة ، مع زيادة درجات الحرارة في هذه الطبقة التي تحتوي على غاز الأوزون.

تُعرف منطقة أخرى على ارتفاع عالٍ جدًا في الغلاف الجوي تزيد من سرعة الصوت ، على ارتفاع حوالي 90 كم ، بالغلاف الحراري.

مفهوم الطفرة الصوتية

هناك العديد من الأشياء التي يصنعها الإنسان والتي يمكنها السفر بسرعات تفوق سرعة الصوت مثل الرصاص والطائرات النفاثة والصواريخ.

عندما يتحرك جسم ينتج صوتًا أسرع من سرعة الصوت الذي يولده ، فإنه يتسبب في إنتاج موجات صدمية في الهواء ، وتحمل هذه الموجات كمية كبيرة جدًا من الطاقة وتؤدي إلى صوت مرتفع للغاية يسمى دوي الصوت. الصوت الناتج قوي للغاية ويحمل طاقة عالية يمكنها في بعض الحالات تحطيم ألواح النوافذ أو تشقق المباني.

استنتاج

ينتج الصوت عن اهتزاز أجسام مختلفة ، ولا ينتقل إلا من خلال وسيط مادي ولا يمكنه أبدًا الانتقال في الفراغ.

انتشار الصوت هو نقل الطاقة الصوتية من جسم إلى آخر.

تعتمد السرعة التي ينتشر بها الصوت بشكل أساسي على الحالة الفيزيائية للوسط الذي ينتشر خلاله ودرجة حرارته.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى