تختلف سرعة الصوت في الهواء الساخن والبارد والصوت وسرعته باختلاف التأثيرات التي يتعرض لها منذ اللحظة التي يخرج فيها من الاهتزازات المنبعثة من جزيئات المادة، مروراً بانتقاله عبر الهواء والأجسام، حتى وصوله إلى الأذن.
تختلف سرعة الضوء الذي ينتقل عبر الهواء عن السفر عبر المواد الصلبة وعبر الهيليوم، لذلك سنشرح سرعة الصوت في الهواء الساخن والبارد على موقع جديد اليومة.
صوت العلوم
يعتبر الصوت موجات طولية وعرضية، وتعمل هذه الموجات كناقل للطاقة الناتجة عن الاضطرابات الداخلية لشيء ما بشرط أن يكون اتجاهها عموديًا على نفس الاتجاه الذي تنتقل فيه الطاقة.
العلم الذي يدرس الصوت، وكيف نشأ، ومن أين أتى وما يؤثر عليه، حصل على نفس الاسم.
حيث أطلق عليه اسم “علم الصوت”، فقد تفرع إلى علم السمع ودخل في العديد من العلوم الأخرى، مثل:
- تعلم الآلات الموسيقية.
- علوم أعماق البحار.
- تقليل الضوضاء.
- التكهن في مجال البحث بالموجات فوق الصوتية.
راجع أيضًا: السرعة التقريبية للضوء
كيف يصل الصوت الى الاذن؟
الصوت له تعريف مختلف لأنه اهتزاز الموجات في كل زمان ومكان، عندما تهتز هذه الموجات لأعلى ولأسفل خلال فترة من الزمن.
وذلك عندما ينتقل عبر عدة وسائط، مثل الماء أو الهواء أو من خلال الأجسام الصلبة، حتى يصل إلى طبلة الأذن.
تهتز هذه الموجات، وترسل إشارات إلى الدماغ، والتي يترجمها الدماغ إلى أصوات.
سرعة الصوت في الهواء
ينتقل الصوت عبر الغازات في الهواء، مما يتسبب في اصطدام جزيئات الغاز ببعضها البعض.
نظرًا لوجود أنواع عديدة من الغازات، فقد طور العلماء ما يسمى ثابتًا محددًا للتعبير عن كل نوع من أنواع الغازات.
يتم قياسه بالوحدات التالية “م 2 / ث 2 / كلفن” وقد وضعوا تصنيفًا محددًا له لا ينطبق إلا على الهواء، ويرتفع إلى 286.
معادلات سرعة الصوت
أنشأت وكالة ناسا قانونًا خاصًا لسرعة الصوت:
سرعة الصوت في الهواء = الجذر التربيعي لـ (نسبة الانتروبيا x ثابت الغاز x درجة الحرارة المطلقة).
قدر العلماء ثابت الانتروبيا للهواء عند درجة حرارة مثالية تبلغ 1.4.
قاموا بقياس درجة الحرارة المطلقة فيما يسمى بوحدات كلفن.
وذلك من خلال هذه المعادلة “درجة حرارة هذه الدرجات المئوية + 273.15”.
يُقاس الصوت في الهواء عند درجة حرارة باردة تبلغ 0 درجة مئوية (332 م / ث) على النحو التالي:
سرعة الصوت في الهواء = 331.4 + 0.6 × درجة حرارة الهواء (تقاس بالدرجات المئوية).
يقيس سرعة تردد الصوت بمعرفة التردد والطول الموجي كما يلي:
سرعة الموجة = التردد × الطول الموجي
لذلك، تكون سرعة الصوت أعلى عندما تكون درجة حرارة الهواء مرتفعة وتنخفض عندما تنخفض درجة حرارة الهواء.
حيث تصل سرعة الصوت إلى 1225 كم / ساعة عند درجة حرارة هواء 15 درجة مئوية.
أمثلة على حساب سرعة الصوت
أوجد سرعة الصوت عند درجة حرارة 3 درجات مئوية
الحل: تُعطى سرعة الصوت عند 3 درجات مئوية بواسطة معادلة سرعة الصوت على النحو التالي:
331.4 + 0.6 × 3 = 333.2 م / ث
نحسب سرعة الصوت عند درجة حرارة 38 درجة مئوية
الحل: تكون سرعة الصوت عند درجة حرارة الهواء 38 درجة مئوية حسب قانون سرعة الصوت كما يلي:
331.4 + 0.6 × 38 = 354.2 م / ث
أوجد درجة حرارة الهواء عند انبعاث الصوت بتردد 15000 وطول موجي 0.023 هرتز
الحل: احسب درجة حرارة الهواء عند تردد صوت 15000 هرتز و 0.023 مترًا.
هذا قياس لطول الموجة الصوتية، لذلك نطبق قانون سرعة الموجة حتى نحصل على النتيجة التالية:
أولًا نجد سرعة الصوت
15000 × 0.023 = 345 م / ث
سرعة الصوت 345 م / ث
نجد درجة الحرارة
المعادلة الأصلية كما يلي:
سرعة الصوت 345 م / ث = 331.4 + 0.6 × درجة الحرارة.
لذلك، إذا أردنا معرفة درجة الحرارة، فإننا نقوم بعدة خطوات:
نطرح العامل الثابت وهو 331.4 من سرعة الضوء وهي 345، وبالتالي تكون النتيجة 13.6، وبالتالي فإن صيغة الاعتدال الجديد هي:
13.6 = 0.6 × درجة الحرارة
نقسم طرفي المعادلة على 0.6 لإيجاد درجة الحرارة، وهي 22.67 درجة مئوية.
العوامل المؤثرة في سرعة الموجات الصوتية في الهواء
تأثير تغير الضغط على سرعة الصوت
يؤثر التغير في ضغط الهواء على سرعة الصوت عندما تكون درجة الحرارة ثابتة.
أنظر أيضا: الموجات فوق الصوتية في الطب
تأثير درجة حرارة الهواء على سرعة الصوت
حيث تكون سرعة الصوت في أي نوع من الغاز متناسبة طرديًا مع الجذر التربيعي لدرجة الحرارة المطلقة للغاز.
لذلك يصل مقدار الزيادة في سرعة الصوت إلى (0.61 م / ث) عندما ترتفع درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مئوية.
تأثير تغيرات الرطوبة على سرعة الصوت
تنتشر الرطوبة وسرعة الصوت على طول خطين متساويين ومتوازيين. كلما زادت الرطوبة في الهواء، زادت سرعة الصوت.
مع انخفاض الرطوبة، تقل كثافة الهواء في الغلاف الجوي.
تأثير الرياح في الهواء على الصوت
تزداد سرعة الصوت عندما تتحرك الرياح في الاتجاه المعاكس للصوت أو عندما تنتشر الرياح بزاوية أقل من 90 درجة.
تنخفض سرعة الصوت عندما تتحرك الرياح في اتجاه معاكس لسرعة الصوت، أو عندما تنتشر بزاوية منفرجة.
لا تتأثر سرعة الضوء إذا كانت الرياح تتحرك عموديًا على نفس اتجاه الصوت، ولا تتأثر سرعة الصوت بالتردد أو الطول الموجي.
هذا لأن سرعة الصوت في الهواء مستقلة عن التردد ونرمز إلى هذا بالحرف f وهو مستقل عن الطول الموجي لأن c = f = contact
تأثير سعة الصوت على سرعة الصوت مثل سرعة الصوت عند مستوى الصوت العالي.
يمكن أن تكون سرعة الصوت ثابتة، بينما سرعة الصوت بأبعاد كبيرة، تكون سرعته أكبر من السرعة العادية.
تأثير درجة حرارة الهواء على سرعة الصوت
كما قلنا سابقًا، فإن سرعة الصوت في أي نوع من الغاز تتناسب طرديًا مع الجذر التربيعي لدرجة حرارة ذلك الغاز.
نظهر زيادة في سرعة الضوء مع ارتفاع درجة الحرارة إلى درجة مئوية.
المعادلة العامة للغاز هي pv = nRt
إذا كان الغاز مثاليًا، فسيكون مثل هذا:
Pv = م / MRT
N = م / م
هذا لأن P = m / VRT / M
ف =؟ عدد الشامات RT / M = n
P =؟ RT / M عامل الغاز الثابت = R
ج =؟ (؟ P /؟) درجة الحرارة المطلقة = T.
ج =؟ (؟ RT / M) كتلة الغاز = م
C = K؟ T الوزن الجزئي = M.
مع العلم أن كل من (M، R،؟) يعتبر ثابتًا في المعادلات.
سرعة الصوت في الهواء الساخن والبارد
سرعة الصوت في الهواء الساخن أسرع منها في الهواء البارد لأن جزيئات الهواء تتحرك بشكل أسرع.
لذلك، يمكن أن تنتقل اهتزازات الموجات الصوتية بشكل أسرع. هذا يعني أنه عندما ينتقل الصوت من الهواء الساخن إلى الهواء البارد أو من الهواء البارد إلى الهواء الساخن.
أيضا، سوف ينكسر. يمكنك رؤيته في يوم حار أو ليلة باردة. في يوم حار، يكون الهواء بالقرب من الأرض ساخنًا.
لذلك، تنحني الموجة الصوتية لأعلى من الهواء الساخن إلى الهواء البارد (الشكل 1).
أيضًا، في ليلة باردة، يكون الهواء بالقرب من الأرض باردًا، لذلك تنحني الموجة الصوتية إلى أسفل. هذا هو السبب في أنه يمكنك أحيانًا سماع أصوات من بعيد عندما يكون هواء الليل باردًا.
اخترنا لكم: الموجات الصوتية واستخدامها في الزراعة
كانت هذه نظرة عامة على سرعة الصوت في الهواء الساخن والبارد حيث يمكنك التعرف على سرعة الصوت في الهواء وكيف يصل الصوت إلى الأذن وما هي العوامل التي تؤثر على كيفية وصول الصوت إلى الأذن.