ما الصوت؟
الصوت موجة ميكانيكية طولية تنتقل خلال وسط مادي مثل الهواء أو الماء أو المواد الصلبة. ينشأ الصوت عندما يهتز جسم ما، فيسبب تضاغطات وتخلخلات في الوسط المحيط به. تنتقل هذه التغيرات في الضغط حتى تصل إلى الأذن فنسمع الصوت.
بما أن الصوت موجة ميكانيكية، فهو يحتاج إلى وسط مادي. لذلك لا ينتقل الصوت في الفراغ بالطريقة المعتادة.
الصوت كموجة طولية
في الهواء، تتحرك جزيئات الهواء إلى الأمام والخلف في اتجاه انتشار الصوت تقريبًا. تتكون مناطق يكون فيها الهواء أكثر ضغطًا تسمى تضاغطات، ومناطق يكون فيها أقل ضغطًا تسمى تخلخلات.
الطول الموجي للصوت يمكن قياسه بين تضاغطين متتاليين أو بين تخلخلين متتاليين.
سرعة الصوت
تعتمد سرعة الصوت على الوسط ودرجة الحرارة. في الهواء عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة، تستخدم كثير من المسائل المدرسية القيمة التقريبية:
\( v \approx 343 \; m/s \)
وفي مسائل أخرى قد يستخدم المعلم القيمة التقريبية \( 340 \; m/s \). يجب الالتزام بالقيمة المعطاة في السؤال إن وجدت، لا تدخل في معركة مع الورقة الامتحانية؛ هي التي تضع الرقم، ونحن نحل.
القانون الأساسي
نستخدم علاقة الحركة المنتظمة:
\( v = \frac{d}{t} \)
حيث:
- \( v \): سرعة الصوت.
- \( d \): المسافة التي قطعها الصوت.
- \( t \): الزمن.
ومنها:
\( d = vt \)
و:
\( t = \frac{d}{v} \)
ما الصدى؟
الصدى هو صوت منعكس نسمعه بعد أن يرتد عن سطح بعيد مثل جدار أو جبل أو مبنى كبير. لكي نسمع الصدى بوضوح يجب أن يكون هناك فرق زمني ملحوظ بين الصوت الأصلي والصوت المنعكس.
في مسائل الصدى يجب الانتباه إلى أن الصوت يذهب إلى السطح العاكس ثم يعود إلى السامع. لذلك المسافة التي يقطعها الصوت تساوي ضعف المسافة بين الشخص والسطح.
أهم فكرة في مسائل الصدى
إذا كان البعد بين الشخص والجدار هو \( x \)، فإن الصوت يقطع:
\( d = 2x \)
لذلك:
\( v = \frac{2x}{t} \)
أو:
\( x = \frac{vt}{2} \)
القسمة على 2 هنا مهمة جدًا. نسيانها هو الفخ الكلاسيكي في مسائل الصدى.
مثال محلول: حساب بعد الجدار
وقف شخص أمام جدار وسمع الصدى بعد 2 s. إذا كانت سرعة الصوت \( 340 \; m/s \)، احسب بعد الجدار عنه.
الصوت ذهب وعاد، إذن:
\( x = \frac{vt}{2} \)
\( x = \frac{340 \times 2}{2} = 340 \; m \)
إذن الجدار يبعد 340 m عن الشخص.
مثال محلول: حساب سرعة الصوت
أرسل شخص صوتًا نحو جبل يبعد 510 m، وسمع الصدى بعد 3 s. احسب سرعة الصوت.
المسافة الكلية التي قطعها الصوت:
\( d = 2 \times 510 = 1020 \; m \)
إذن:
\( v = \frac{d}{t} = \frac{1020}{3} = 340 \; m/s \)
إذن سرعة الصوت تساوي \( 340 \; m/s \).
العلاقة بين سرعة الصوت والتردد والطول الموجي
مثل بقية الموجات، يخضع الصوت للعلاقة:
\( v = f\lambda \)
إذا زاد تردد الصوت في الوسط نفسه، يقل طوله الموجي لأن سرعة الصوت في الوسط ثابتة تقريبًا عند الظروف نفسها.
العوامل المؤثرة في سرعة الصوت
- نوع الوسط: ينتقل الصوت عادة أسرع في المواد الصلبة من السوائل، وأسرع في السوائل من الغازات.
- درجة الحرارة: في الهواء تزداد سرعة الصوت غالبًا بزيادة درجة الحرارة.
- خواص الوسط: مثل الكثافة والمرونة.
أخطاء شائعة
- نسيان أن مسافة الصدى ذهاب وإياب.
- استخدام سرعة الضوء بدل سرعة الصوت في مسائل الرعد أو الصدى.
- الاعتقاد أن الصوت ينتقل في الفراغ.
- عدم تحويل الوحدات قبل التعويض.
- الخلط بين علو الصوت وتردد الصوت؛ العلو يرتبط غالبًا بالسعة، أما الحدة فترتبط بالتردد.
خلاصة
الصوت موجة ميكانيكية طولية تنتقل عبر تضاغطات وتخلخلات. في مسائل الصدى يقطع الصوت المسافة مرتين: من المصدر إلى السطح العاكس ثم يعود. لذلك نستخدم \( x = \frac{vt}{2} \) لحساب بعد السطح عندما يكون الزمن هو زمن سماع الصدى.
