الدرس ٢: موجات الصوت
انظر إلى الشكل ١٠ الذي يوضح اهتزاز غشاء مرن عندما تضربه؛ فعندما يتحرك الغشاء إلى الخارج، فإنه يضغط دقائق الهواء المجاورة له مكوناً تضاغطاً، وعندما يعود مبتعداً إلى الداخل تتكون منطقة تخلخل في جزيئات الهواء. هذه السلسلة من التضاغطات والتخلخلات هي ما نسميه موجات طولية. تذكر أن الصوت يحتاج إلى وسط مادي لتنتقل طاقته عبره، ولهذا لا نسمع أي صوت خارج الغلاف الجوي لعدم وجود هواء تنقل فيه الجسيمات تصادماتها.
تقوم موجات الصوت على فكرة اهتزاز الأجسام لنقل الطاقة عبر الأوساط المادية على شكل موجات طولية تتكون من تضاغطات وتخلخلات. وأهم ما يميز الصوت هو سرعته التي تعتمد على نوع الوسط ودرجة الحرارة، إضافة إلى الخصائص الأخرى مثل الشدة والحدة وانعكاس الصوت. فعندما تضرب غشاء مرنا كالطبل، يهتز الغشاء ضاغطا الهواء المجاور ليحدث تضاغطا وتخلخلا، وتنتقل هذه الطاقة في الهواء حتى تصل إلى الأذنين لنسمع الصوت، ولا ينتقل الصوت في الفضاء لعدم وجود وسط مادي.
الفكرة الأساسية
تنشأ موجات الصوت من اهتزاز الأجسام، وهذه الاهتزازات تنقل الطاقة إلى دقائق الهواء الملامسة للجسم لتمتد عبر الأوساط المادية على شكل موجات طولية مكونة من تضاغطات وتخلخلات.
الشرح
عندما يتحرك الغشاء المرن إلى الخارج فإنه يضغط دقائق الهواء المجاورة محدثا تضاغطا، وعندما يعود مبتعدا إلى الداخل تتكون منطقة تخلخل في جزيئات الهواء، وينتقل هذا التضاغط والتخلخل عبر الهواء. لا تنتقل موجات الصوت إلا عبر الأوساط المادية، لذا لا يصدر أي صوت خارج جسم مركبة الفضاء عندما تكون خارج الغلاف الجوي. وتعتمد سرعة موجات الصوت على نوع الوسط الذي تنتقل خلاله، فتكون سرعة الصوت في المواد الصلبة أكبر منها في السائلة وأكبر منها في الغازات، كما تزداد سرعة الصوت في المادة بزيادة درجة حرارتها. أما علو الصوت فيرتبط بالشدة، وهي كمية الطاقة التي تحملها الموجة خلال وحدة المساحة، وتقاس شدة الصوت بوحدة ديسبل. في حين ترتبط حدة الصوت بتردد الموجة والمصدر المهترد، حيث يقاس تردد الموجة بوحدة هرتز.
مثال محلول خطوة بخطوة
إذا ازداد مستوى شدة الصوت بمقدار ديسبل، فكم مرة تضاعفت الطاقة التي تحملها موجات الصوت، وكم يصبح علو الصوت؟ الخطوة الأولى: كل زيادة بمقدار ديسبل تعني تضاعف الطاقة عشر مرات، ومع زيادة ديسبل تتضاعف الطاقة بواقع مرة. الخطوة الثانية: كل زيادة بمقدار ديسبل تعني مضاعفة علو الصوت مرتين، ومع زيادة ديسبل يصبح علو الصوت مضاعفا بمقدار مرات.
أخطاء شائعة
الاعتقاد بأن الصوت يمكنه الانتقال في الفضاء الخارجي بنفس طريقة انتقاله في الهواء، والصحيح أن الصوت موجة مادية تتطلب وجود وسط ناقل لتصادمات الدقائق ولا ينتقل في الفراغ. الخلط بين شدة الصوت وحدته، حيث تعبر الشدة عن كمية الطاقة المرتبطة بسعة الموجة، بينما تعبر الحدة عن التردد الذي يميز الأصوات الرفيعة عن الغليظة.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
السؤال الأول: لماذا لا تنتقل موجات الصوت في الفضاء الخارجي؟ الإجابة: لأن موجات الصوت لا تنتقل إلا عبر الأوساط المادية، والفضاء خال من الوسط الناقل. السؤال الثاني: ما الذي يحدد حدة الصوت؟ الإجابة: يتحدد تردد الصوت من خلال تردد المصدر المهتز المولود لموجات الصوت.