درس في الفيزياء

[فراس الحكيم]

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته



الصوت









ظاهرة لا يمكن الاستغناء عنها



كثير منا يسمع عبارات مثل

جدار الصوت

او حاجز الصوت



و لكن



أين هذا الجدار او الحاجز ؟؟



هل هو موجود ؟؟





اما ان هذا مجرد تعبير مجازي لا اقل و لا اكثر ؟؟

دعونا نتعمق في ظاهرة الصوت
و نرى



سيكون بحثنا مليء بالتجارب الفيزيائية الغريبة

و البسيطة في بعض الاحيان



و لكن نظامنا التعليمي يعتمد سياسة حشو المعلومات للأسف

و لا وقت لإجراء مثل هذه التجارب





الصوت تاريخيًا :


لم تكن هناك معلومات واضحة عن تعريف الصوت في التراث القديم.
وكان المعماري الروماني ماركوس بوليو الذي عاش في القرن الأول قبل الميلاد
قد توصل إلى بعض الملاحظات الهامة عن هذا الموضوع وبعض التخمينات الذكية حول الصدى والتشوش

ويمكن القول أن أول محاولة علمية لوصف الصوت
تمت في القرن الرابع الهجري / العاشر الميلادي على يد علماء اللغة المسلمين.
فقد وصف الصوتيون المسلمون جهاز النطق عند الإنسان
وأسموه (آلة النطق) وبحثوا في العمليات الفسيولوجية والميكانيكية التي تتم عند نطق الأصوات.
أما من ناحية العمليات الفسيولوجية والميكانيكية،
فقد تحدثوا عن خروج الهواء من الرئتين مارا بالحنجرة والفم والأنف ووصفوا حركة اللسان والفك والشفتين

فقال ابن جني: "اعلم أن الصوت عرض يخرج مع النفس مستطيلا متصلا
حتى يعرض له في الحلق والفم والشفتين مقاطع تثنية عن امتداده واستطالته،
فيسمى المقطع أينما عرض له حرفا وتختلف أجراس الحروف بحسب اختلاف مقاطعها".


وفي القرن الرابع الهجري / العاشر الميلادي ورد أول تعريف علمي للصوت
فيقول إخوان الصفا في رسائلهم :



" إن كل جسمين تصادما برفق ولين لا تسمع لهما صوتا،
لأن الهواء ينسل من بينهما قليلا قليلا،
فلا يحدث صوت، وإنما يحدث الصوت من تصادم الأجسام،
متى كانت صدمها بشدة وسرعة،
لأن الهواء عند ذلك يندفع مفاجأة، ويتموج بحركته إلى الجهات الست بسرعة،
فيحدث الصوت، ويسمع".


وقد عزى ابن سينا في كتابه الشفاء حدوث الصوت





صورة لصفحات الكتاب



كما قلنا عزى ابن سينا في كتابه الشفاء حدوث الصوت
" إلى اهتزاز الهواء،
وهذا يحدث عند ضرب الأجسام بعضها بعضا وهذا ما أسماه بالقرع
أو عند انتزاع جسم من جسم آخر، وهذا ما سماه بالقلع،
وفي كلتا الحالتين يحدث الصوت عن اهتزاز الهواء
ففي حالة القرع ينضغط الهواء، فيطرد في كل الاتجاهات،
وفي حالة القلع يحدث فراغ في مكان الجسم المنتزع، فيأتي الهواء بسرعة ليحل محله ".


و تعريف علماء المسلمين هو تعر يف دقيق جدًا

حيث التعريف العلمي للصوت هو

عبارة عن اهتزازات في جزيئات الهواء
لتحدث موجات
على شكل تضاغطات و تخلخلات


مثلًا

اذا ما كان هناك انبوب مفتوح من الجهتين
مليء بالهواء
ستكون جزيئات الهواء تقع تحت ضغط متساوي

كما هو ظاهر في الصورة



و لكن اذا ما طرقنا شوكة رنانة
بالقرب من احدى الفتحيتين في الانبوب

سنرى ان ضغط الهواء اختلف

فيأخذ بالانضغاط
ثم التخلخل
حيث يكون ضغط التضاغطات عالي
و ضغط التخلخلات منخفض



و تستمر التضاغطات و التخلخلات

حتى تصل الى الاذن
فتقوم الاذن باستقبال هذه التضاغطات و التخلخلات في الهواء
و يترجمها العقل الى صوت



و هذا ما يفسر
تجربة وضع جرس في زجاجة خالية من الهواء

مهما قرعنا الجرس
لن نسمع اي صوت
لعدم وجود هواء لكي تحدث التضاغطات و التخلخلات

و ايضًا لنفترض انك في الفضاء

و انفجر نجم هائل بالقرب منك

مهما كان الانفجار قويًا

لن تسمع اي صوت او حتى همسة


لعدم وجود مادة ينتقل من خلالها الصوت



انواع الموجات الصوتية




تصنف الموجات الصوتية طبقا لتردداتها كما يلي:

1.الموجات المسموعة :

هي تلك الموجات التي تقع تردداتها بين 20 هيرتز و20.000 هيرتز
وتمثل الصوت المسموع بواسطة الاذن البشرية العادية.
حيث أن الحد الأدنى لتردد الصوت الاصوات التي تحس بها الاذن البشرية الطبيعية هو 20 هيرتز تقريبا
بينما الحد الأعلى هو 20 الف هيرتز وينخفض هذا المدى عند كبار السن +(الأشخاص اللذين يؤذون آذانهم بالأصوات العاليةعند سماع الموسيقى الصاخبة) إلى حوالي 12.000 هيرتز

وأقصى درجات الاحساس بالصوت لأذن بشرية عادية يقع في المدى بين 5000 هيرتز و8000 هيرتز
والذي يشمل ذبذبات الحروف الهجائية .

وكما هو معروف يمكن احداث الموجات السمعية عن طريق الاحبال الصوتية في الإنسان
والآلات الموسيقية الوترية منها و غيرها من الآلات الأخرى


2.الموجات الفوق سمعية :

هي الموجات التي تزيد تردداتها على 20 الف هيرتز
والتي تقع خارج نطاق حاسة الاذن البشرية.

وهذا النوع من الموجات مازال موضع بحث واهتمام مكثف
نظرًا للتطبيقات المهمة التي تمس مجالات عديدة في الصناعة والطب وغيرهما.

وقد أصبح بالإمكان إنتاج موجات فوق صوتية تزيد تردداتها على 20.000 هيرتز
ولا تختلف هذه الموجات من حيث الخواص عن الموجات الصوتية الأخرى
إلا أنه نظرًا لقصر طول موجاتها فإنه بالإمكان تنتقل على هيئة أشعة دقيقة عالية الطاقة.


3.الموجات تحت السمعية :

هي موجات الصوتية التي يقل ترددها عن 20 هيرتز
ولاتستطيع الاذن البشرية الاحساس بها

اهم مصدر لها هو الحركة الاهتزازية و الانزلاقية لطبقات القشرة الأرضية
و ما ينتج عنها من زلازل وبراكين وعليه انها مهمة جدا في رصد الزلازل وتتبع نشاط البراكين .

وهذه الموجات يحس بها الحيوانات


سرعة الصوت



الصوت ينتقل في الغازات و في السوائل و في الجوامد

و كلما اقتربت جزئيات المادة التي تنقل الصوت من بعضها
زادت سرعة الصوت

اي ان الصوت ينتقل في الجوامد اسرع من السوائل و الغازات
و في السوائل يكون اسرع من الغازات

لأن جزيئات الجوامد متلاصقة في بعضها
اما السوائل فجزيئاتها متباعدة عن بعضها
و الغازات جزيئاتها متباعدة عن بعضها جدًا


سرعة الصوت في الهواء تساوي 343 متر في الثانية

اي انه يقطع مسافة و قدرها 1230 كيلومتر في الساعة


اما اذا كان الوسط الناقل هو ماء نقي درجة حرارته 20 درجة مئوية
فتصبح سرعة الصوت تساوي 1482 متر في الثانية الواحدة

اي انه يقطع مسافة 5335 كيلومتر في الساعة


اما اذا كان الوسط الناقل هو الحديد

فتصبح سرعة الصوت في الحديد تساوي 5960 متر في الثانية

اي انه يقطع مسافة 21460 كيلومتر في الساعة


تفضلوا هذه التجربة الأكثر من رائعة



-------------------------------------
شرح التجربة :

قام معلم فيزياء امريكي
بأخذ طلابه الى مزرعة ذات مساحة كبيرة
لإجراء تجربة غريبة تتعلق بسرعة الصوت

امر طالبين ان يقفا بعيدًا
على بعد 200 متر تقريبا عن باقي الطلاب
و مع احدهم صولجان يصدر صوت عالي عند طرقه

كان مع المدرس جهاز اتصال لاسلكي
و مع الطالب الاخر الذي يقف بعيدًا مع صاحب الصولجان
جهاز اتصال لاسلكي اخر

امر المدرس الطالب ان يقرع الصولجان
و بما اننا نرى الاجسام بسبب انعكاس الضوء عنها
و كما نعلم ان سرعة الضوء اعلى سرعة في الكون

رأى الطلاب الطالب يضرب الصولجان
و بعد فترة قصيرة
سمعوا صوت الصولجان

و بعدها امر المعلم الطالب الاخر ان يجعل الجهاز اللاسلكي يعمل عند طرق الصولجان
و بما ان الموجات ( التي تستخدم في الاجهزة الاسلكية ) تسير بسرعة الضوء
فعندما طرق الطالب الاخر الصولجان
رأى الطلاب لحظة الطرق و سمعوا الصولجان في نفس اللحظة و لكن عبر جهاز اللاسلكي
و بعد فترة قصيرة
وصل صوت الصولجان الطبيعي اليهم عبر الهواء

مما اثار انبهار الطلاب
-------------------------------------------



هناك العديد من الظواهر الغريبة في الصوت

من اغرب الظواهر هي ظاهرة تسمى ظاهرة

الإهتزاز الرنيني

تتساءلون عن ماهية هذه الظاهرة
أليس كذلك ؟

حسنًا

هذه الظاهرة غريبة جدًا
حيث انك اذا وضعت جسمين لهما نفس التردد

بمعنى اخر
انه عند طرقهما يصدران نفس الصوت

و كانا مفوصلين عن بعضهماو لا يتصلان اطلاااقًا

و طرقت احدهما

ستحدث هذه الظاهرة غريبة جدًا
و هي ان الجسم الاخر سيهتز من دون ان يلمسه احد او شيء
فقط يهتز بسبب اهتزاز الجسم المشابه له في التردد

تفضلوا هذه التجربة و سترون الاهتزاز الرنيني بأم اعينكم



-------------------------

شرح التجربة :

بما ان كل شيء في الكون له تردد محدد
هناك اشياء لها ترددات متشابهة

عندما طرق الرجل الشوكة الرنانة المثبتة على صندوق
مفصول تماما عن الشوكة الرنانة المثبتة على صندوق اخر

ترون ان الشوكة الاخرى تهتز لوحدها و دون ان يلمسها احد

حيث انتقلت التضاغطات و التخلخلات للهواء الى جميع الاجسام المحيطة بالشوكة التي طرقت
و لكنها لا تحرك الا الاشياء التي لها نفس التردد فقط
اما بقية الاشياء فتبقى ساكنة
و هذا ما يفسر اهتزاز الشوكة الاخرى و عدم اهتزاز الرجل او الطاولة او اي شيء اخر

لأن الشوكتان لهما نفس التردد
و هو ما يسمى بظاهرة الاهزاز الرنيني

----------------------------------

و هذه تجربة اخرى
و لكن المعلم يقوم بتغيير تردد الشوكة بأداتين صغيرة معلقة على رأس الشوكة
مما يجعلها لا تهتز تلقائيًا
الا بعد ان يساوي التردد بين الشوكتين



قد تقولون
" حسنًا تجربة جميلة و لكن لنكن واقعيين
ما فائدتها ؟ "


اقول لكم

تفضلوا الى عالم العجائب

عالم الفيزياء




عندما تغيرون محطات الراديو

انتم بذلك غيرتم تردد المستقبِل

لذلك اذا ما كنتم تريدون اذاعة القرآن الكريم مثلا

فأنتم تغيرون تردد المستقبل داخل الراديو
لكي يصبح تردده مساوي تماما لتردد موجات اذاعة القرآن الكريم التي ترسلها المحطة

عندها يبدأ المستقبل بالاهتزاز
بسبب ظاهرة الاهتزاز الرنيني
و من ثم يحول الراديو تلك الاهتزازات الى صوت
و تسمعون صوت الاذاعة


جميل أليس كذلك ؟


لن نقف عند هذا الحد

ظاهرة الاهتزاز الرنيني لا تتوقف تطبيقاتها عند حد الراديو

لنفكر قليلًا بعد رؤية التجربة الاتية و نحاول ان نجيب على السؤال التالي



------------------------------

شرح التجربة :

بما ان للكأس تردد معين
و الأداة الموسيقية تصدر ترددات مختلفة
قام المعلم بالبحث عن التردد الذي يجعل الكأس تهتز
و هو التردد المساوي لتردد الكأس
و عندما وجده
اخذ يصدر نفس الصوت لمدة معينة
مما جعل الكأس تهتز و تهتز وتهتز جزيئاتها
حتى انكسرت


--------------------------------


الآن نأتي الى السؤال


إذا ما عرفنا تردد مبنى معين

و صنعنا جهاز يطلق نفس هذا التردد

ما توقعاتكم لما سيحدث لهذا المبنى ؟


إذًا كما ترون

يمكن استخدام ظاهرة فيزيائية واحدة في العديد و العديد من التطبيقات

و هنا تأتي جمالية الفيزياء




و هناك ظاهرة اخرى طبيعية للصوت

و هي ظاهرة
انحراف الصوت

إذا ما اطلقت صوتًا و كان الهواء القريب من الارض ساخن
و الهواء المرتفع عن الارض بارد
سينحرف الصوت و يرتفع الى الاعلى

اما اذا كان الهواء المرتفع عن الارض ساخن
و القريب من الارض بارد
فسينحرف الصوت و يتجه الى الاسفل



ترون في الحالة الاولى ان الكلب ( أكرمكم الله ) لم ينتبه
لعدم وصول الصوت اليه

اما في الحالة الثانية
فقد انتبه الكلب للصوت
بسبب انحراف الصوت الى الاسفل حيث يقف و وصوله الى اذنه




جدار الصوت


نسمع كثيرًا عن جدار الصوت
او حاجز الصوت

و عن اختراق هذا الجدار

و لكن .... اين الجدار؟؟


هل يوجد جدار أصلًا ؟؟


اقول لكم نعم

يوجد جدار حقيقي و سترونه بأنفسكم يظهر من حيث لا تعلمون
ولا يختفي حتى يتم اختراقه


جدار الصوت هو الفاصل بين الاشياء التي تسير ابطأ من سرعة الصوت في الهواء
و هي 343 متر في الثانية

و بين الاشياء التي تسير بسرعات اعلى من هذه السرعة

عندما تقوم طائرة نفاثة

مثل الطائرات الحربية الامريكية او البريطانية او الفرنسية من نوع
F-18 \ F-14\F-16

بالطيران بسرعة قريبة من سرعة الصوت

يبدأ جدار الصوت بالظهور فجأة

و هو حاجز ابيض اللون كأنة سحابة
و لكن على شكل جدار دائري

يظهر امام الطائرة النفاثة
و لا يختفي حتى يتم اختراقه

اي حتى تبدأ الطائرة تسير بسرعة اسرع من سرعة الصوت

إليكم الصور









و لكن هناك مشكلة

عند اقتراب الطائرة من سرعة الصوت

تبدأ بالاهتزاز العنيف جدًا


هل تستطيعون ان تقولوا لي لماذا هذا الاهتزاز
بحسب ظاهرة الاهتزاز الرنيني ؟


نعم صحيح


عندما قام المعلم الذي يحمل آلة موسيقية في التجربة السابقة
بالبحث عن تردد الكأس
و وجده بدأت الكأس بالاهتزاز و من ثم انكسرت
حيث كان الصوت هو من يبحث عن تردد الكأس


إذًا تردد الكأس كان ثابت و تردد الصوت هو الذي يتغير


و لكن في حالة الطائرات الحربية

الطائرة هي من تبحث عن تردد الصوت

اي ان تردد الصوت ثابت
و لكن الطائرة تريد ان تصبح مساوية لهذا التردد

و عندما تقترب الطائرة من تردد الصوت
اي تصبح قريبة من سرعة الصوت

تبدأ بالاهتزاز العنيف
بسبب تشابه تردد الصوت و تردد الطائرة

اذا ما استمرت الطائرة على هذه السرعة
ستهتز و تهتز حتى تنفجر

لذلك يجب على الطيار عندما يقترب من سرعة الصوت و تبدأ الطائرة بالاهتزاز
ان يزيد من السرعة لكي يخترق جدار الصوت
و يتوقف الاهتزاز

لأن تردد الطائرة يصبح اعلى من تردد الصوت






لحظة اختراق جدار الصوت

يصدر صوت انفجار هائل

يسمى السونيك بووم

sonic boom

إذا ما اخترقت الطائرة جدار الصوت بالقرب من مباني
ستتحطم نوافذ هذه المباني جميعها
و يتناثر الزجاج في كل مكان

بالطبع عندما تصبح الطائرة اسرع من الصوت

فإنها تطلق صوت محركاتها و تسبق هذا الصوت

لذلك عندما تعبر فوقنا طائرة حربية تسير اسرع من الصوت
سنرى الطائرة و لكن بدون صوت ابدًا

و بعد مدة من الزمن

سيأتي صوتها إلينا فهو الان ابطأ من سرعة الطائرة

كما نرى في هذا الرسم التوضيحي



الدوائر هي موجات الصوت

و كما نرى في الرسمة رقم 4
السهم و الذي يمثل الطائرة
اطلق الصوت
و سبقه فلم يعد في داخل اي دائرة
اي انه سبق جميع موجات الصوت التي اطلقها


طبعًا لم تعد الطائرات الحربية فقط هي التي تخترق جدار الصوت
بل تم تصنيع سيارة تسمى السيارة الخارقة

تسير اسرع من الصوت

هذه بعض الصور لهذه السيارة الخارقة








و هذه مقاطع اكثر من رائعة
لطائرات و سيارات خارقة تخترق حاجز الصوت

و ترون الطائرة في بعض المقاطع تسير بسرعة عالية
و عندما تسمعون الانفجار
سترون الطائرة تسير بسرعة خيالية و تتحول الى نقطة بعيدة في اقل من ثانيتين

تفضلوا هذه المقاطع


اول اختراق لحاجز الصوت بواسطة مركبة برية
و هي اول سيارة خارقة تخترق جدار الصوت



طائرات تخترق جدار الصوت



















طائرة تقترب من سرعة الصوت و لكن الطيار لم يزيد السرعة
عند اهتزاز الطائرة بعنف مما ادى الى انفجارها




هذا هو الصوت

و هذا هو جدار الصوت

فسبحان من خلق هذه العجائب

و لكن ....

إذا كانت هذه العجائب و الانفجارات
تحدث عند اختراقنا لسرعة الصوت فقط

و هي 343 متر في الثانية


يا ترى

ماذا سيحدث اذا ما اخترقنا سرعة الضوء المخيفة

و هي 300 مليون متر في الثانية ؟؟


حكاية الضوء حكاية اخرى

فله حكاية خاصة
اغرب من الخيال نفسه


دمتم في رعاية الله و حفظه