الفيزياء

نشاط عملي يوّضح طريقة قياس الصوت

2011 تجارب علمية الصوت والسمع

كريس و ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

طريقة قياس الصوت الصوت الفيزياء

الأهداف

1- قياس سرعة الصوت.

2- حساب سرعة الصوت بنفسك.

 

الأدوات التي تحتاجها:

– شريط قياس

– جدار خارجي محاط بفضاء فسيح

– طبشور

– غطاء سلة مهملات

– ملعقة

– ساعة إيقاف

 

خطوات العمل:

1– قِسْ مسافة طولها 150 قدماً (50 م) من الجدار. يجب أن يكون القياس دقيقاً قدر الإمكان وتأكد من أن تكون على زاوية قائمة مع الجدار. حدد ذلك القياس على الأرض بواسطة الطبشور.

عد إلى الجدار وقم بقياس 150 قدماً (50 م) مرة ثانية من المكان نفسه كما فعلت من قبل. حدد المسافة بوضع علامة على الأرض مرة أخرى.

إذا كان القياسان بمسافة 150 قدماً (50 م) غير متماثلين، ارسم خطاً في منتصفهما. ومن خلال قياسك المسافة مرتين بهذه الطريقة ستحصل على قياس أكثر دقة من قياسك لها مرة واحدة.

2- ينبغي أن يقف الشخصان بمحاذاة بعضهما على الإشارة التي وضعتها بالطبشور ووجهيهما نحو الجدار يقوم أحد الشخصين بتشغيل ساعة الإيقاف في الوقت ذاته الذي يصدر الشخص الآخر فيه صوتاً حاداً عن طريق القرع على الغطاء المعدني لسلة المهملات.

 

3- عندما تسمع صدى الضجيج قم بإصدار صوت آخر من مولد الأصوات بحيث يحدث الصدى والقرع في الوقع نفسه. كرر ذلك 20 مرة.

وبعد أن قرعت الغطاء للمرة العشرين، استمع للصدى العشرين. عندما تسمعه أوقف ساعة الإيقاف مباشرة وسجل الزمن الجديد بالدقيقة والثانية ثم سجل الزمن الكلي الذي استغرقته التجربة.

 

قمت في هذه التجربة بقياس الزمن الذي استغرقته الموجات الصوتية كي تنتقل منك إلى الجدار وتعود على شكل صدى (300 قدم) 20 مرة. بلغت المسافة الكلية التي تمت تغطيتها 300 × 20 أو 6000 قدم (2000 م).

السرعة تساوي المسافة تقسيم الزمن. لذلك، كي تحسب سرعة الصوت قم ببساطة بتقسيم المسافة الإجمالية (6000 قدم) على الزمن الكلي الذي قمت بقياسه بالثانية، وستكون إجابتك بالقدم بالثانية.

كيف يمكن مقارنة قياسك لسرعة الصوت المتعارف عليها والتي تبلغ حوالي 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث)؟

 

ربما تجد أن النتيجة التي توصلت إليها قريبة من هذا الرقم، لكنه من غير المحتمل أن تكون نفسها.

إن الاختلافات في درجة حرارة الهواء والرطوبة الجوية تؤثر في سرعة الصوت وربما تجعل القيمة التي حصلت عليها تختلف عن 1128 قدماً في الثانية.

ولأنك قمت بحساب السرعة عن طريق أخذك قياسين، فهناك سببان آخران حول الحصول على قياسات ربما تكون مختلفة عمّا توقعته، ولعلك أخطأت في قياس المسافة أو الزمن.

 

غالباً ما يلجأ العلماء إلى إعادة تجاربهم مرات عديدة ويعتمدون متوسطها من أجل الدقة.

كما يمكنك إعادة التجربة بالوقوف عند مسافات مختلفة من الجدار، أو القيام بالتجربة في أماكن أخرى أو الطلب من أصدقائك أن يقوموا بأخذ القياسات بدلاً عنك.

 

ومتى قمت بأخذ عدة قياسات لسرعة الصوت، خذ متوسط الأرقام التي حصلت عليها عن طريق جمع القياسات كلها وتقسيم الحاصل على عدد القياسات.

(لو أنك قمت بثلاثة قياسات منفصلة مثلاً، اجمع نتائج هذه القياسات وقسمها على ثلاثة).

 

كيف تؤثر درجة الحرارة والرطوبة في سرعة الصوت؟

حاول أن تقوم بالتجربة ذاتها في يوم أكثر حرارة وآخر أكثر برودة. يمكنك أن تقيس درجة الحرارة في كل يوم تجري فيه التجربة ثم تضع رسماً بيانياً يبيّن سرعة الصوت على المحور العمودي مقابل درجة الحرارة على المحور الأفقي.

ستكتشف أن سرعة الصوت تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة، كما يمكنك أن تقيس سرعة الصوت عندما يكون الهواء مشبعاً بالرطوبة (بعد عاصفة ماطرة على سبيل المثال).

 

تحليل النشاط

تبلغ سرعة الصوت المعيارية المعتمدة 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث)، أي ما يعادل 769 ميلاً في الساعة (1238 كم/سا).

وبعد أن أجريت هذه التجربة، ربما أدركت أن سرعة الصوت ليست ثابتة بل تتغير كثيراً. وربما خالفتْ نتائجك السرعة المعيارية للصوت (1128 قدماً في الثانية)، لأن سرعة الصوت متغيرة.

سواء أكان الصوت مرتفعاً أو منخفضاً فسرعة انتقاله تظل ثابتة، لكن هذه السرعة يمكن أن تتغير تبعاً لظروف محددة.

 

فعلى سبيل المثال، تزداد سرعة الصوت عندما ترتفع درجة الحرارة. فعند درجة حرارة تبلغ 70 درجة فهرنهايت (21 درجة مئوية) ينتقل الصوت عبر الهواء بسرعة 1128 قدماً في الثانية (344 متراً في الثانية)، ولكن على ارتفاع 40.000 قدم (12.192 م).

حيث تحلق الطائرات النفاثة يكون الجو شديد البرودة وتبلغ سرعة الصوت فقط 657 ميلاً (1060 كلم) في الساعة. ولو أجريت تجربك في أحد الأيام الباردة، كنت ستحصل على نتيجة أدنى من 1128 قدماً في الثانية.

كما تختلف سرعة الصوت في الهواء تبعاً للرطوبة الجوية الموجودة في الهواء. فإذا كان الهواء محتوياً على كمية زائدة من الرطوبة، كما هو الحال في الأيام الماطرة، ينتقل الصوت على نحوٍ أسرع من الأجواء الجافة.

 

ولو قمت بهذه التجربة خلال يوم ممطر أو رطب لحصلت على نتيجة تتجاوز 1128 قدماً في الثانية.

إن النتيجة التي تحصل عليها تتأثر أيضاً بزمن استجابتك (سرعة تشغيلك لساعة الإيقاف)، إذ إن هناك دائماً بعض التأخير بين سماع الصوت ولحظة الاستجابة.

 

تجارب دقيقة

ستقوم في هذه التجربة بقياس الزمن الذي يستغرقه الصوت في انتقاله ورجوعه عبر الجدار 20 مرة.

ويمكنك الاكتفاء بقياس الزمن بين تصفيقه واحدة وارتداد صداها. إلا أنه في حالة المسافات الأكثر طولاً فإن أي تأخير تقوم به في بدء أو إيقاف ساعة الإيقاف لن يكون ذا أهمية كبيرة بالنسبة للزمن الذي تقيسه، ما يجعل تجربتك أكثر دقة.

 

قياس سرعة الصوت

إن أول شخص قام بقياس سرعة الصوت في الهواء كان عالم الرياضيات الفرنسي (مارين ميرسين) (1588 – 1648).

ففي العام 1640 أظهرت عملياته الحسابية أن الصوت ينتقل بسرعة تبلغ 1000 قدم في الثانية (300 م/ث)، وهو رقم قريب من القيمة المتعارف عليها بين العلماء في الوقت الحاضر والتي اعتمدت سرعة الصوت على أنه 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث).

 

كم تبعد تلك العاصفة؟

تعلم الآن أن سرعة انتقال الصوت تبلغ حوالي 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث).

بإمكانك استخدام هذا الرقم لتحسب كم تبعد عنك إحدى العواصف الوشيكة وفي المرة القادمة التي تحدث خلالها عاصفة رعدية، انظر من النافذة. حالما تبصر البرق قم بتشغيل ساعة الإيقاف، ثم أوقفها حالما تسمع صوت الرعد.

ينتقل الضوء بشكل سريع حتى يُخيّل إليك أن زمن انتقاله من المصدر (البرق) إلى عينيك هو حَدَثٌ لحظي، لدرجة أنك ستجد صعوبة في قياسه، بينما يستغرق الصوت زمناً أطول كي يقطع المسافة في نفسها.

 

والزمن الذي قمت بحسابه هو الزمن الذي استغرقه الصوت لينتقل من الرعد إلى أذنك. لنقل إن الزمن الذي حسبته بين رؤية البرق وسماع صوت الرعد كان خمس ثوان.

تعلم أن سرعة الصوت هي 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث) إن المسافة إلى البرق تساوي السرعة ضرب الزمن أو 1128 قدماً في الثانية (344 م/ث) × 5 ثوان = 5640 قدماً (أي أكثر قليلاً من ميل واحد).

مجلة العلوم
‫‪الهرمونات الجنسية  تفسر سبب إصابة الرجال أكثر بالفيروس
قلم:       ميريديث وادمان
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
في يناير ذكرت إحدى أولى النشرات العلمية عن المصابين بفيروس كورونا المستجد  Novel coronavirus في ووهان بالصين، أن ثلاثة من كل أربعة أدخلوا المستشفى كانوا ذكورًا. ومنذ ذلك الوقت أكدت بيانات من مختلف أنحاء العالم أن الرجال يواجهون خطرًا أكبر للإصابة بمرض شديد أو الوفاة، وأن الأطفال مستَثْنَوْن بشكل كبير. مؤخرًا، توصل العلماء الذين يبحثون في الكيفية التي يؤدي  الفيروس بها إلى الوفاة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪دراسات كبيرة تذوي آمال عقار الهيدروكسي كلوروكوين
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر Pulitzer Center.
عبر ضباب مزاعم الاستغلال، والأمل، والمبالغة في الدعاية، والتسييس الذي يكتنف الدواء هيدروكسي كلوروكوين Hydroxychloroquine، دواء لعلاج الملاريا Malaria الذي أعلن عنه كعلاج لمرض كوفيد-19 COVID-19، تبدأ حاليا الصورة العلمية بالتجلي.
الهيدروكسي كلوروكوين الذي أثنى عليه رؤساء كمعجزة شفائية محتملة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تنجح هيئة الخدمات الصحية في مشروع تتبع الاتصالات الذي تعده؟
جرّب الفرع الرقمي لهيئة الخدمات الصحية الوطنية اختصاراً: الفرع NHSX تطبيقا App سيخبرك ما إذا خالطت أي شخص ظهرت عليه أعراض كوفيد -19. ولكن ما هي التكلفة المترتبة على خصوصيتك جراء ذلك؟
إن أحد التحديات الكبيرة التي تطرحها مكافحة فيروس كوفيد-19 COVID-19 هو أنه معدٍ قبل ظهور أي أعراض على الأشخاص المصابين به. ويمكن أن يساعد تتبع الأشخاص الذين اختلطوا بالمصاب على الحد من انتشار الفيروس، من خلال معرفة عدد الأشخاص الذين ربما نقل إليهم المريض ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪الروبوتات المختصة بالخدمة
كزت الابتكارات على امتداد فترة طويلة على جعلنا أكثر ارتباطاً ببعضنا بعضاً. وها نحن في الوقت الحالي، صرنا أكثر ارتباطاً بأشيائنا. ولم تعد الأدوات المنزلية مجرد أدوات ذكية، بل صارت قابلة للتكيف ومتنقلة، وحتى أنّ البعض منها لديه ما يمكن أن تسمّيه بالشخصية.
لنأخذ، على سبيل المثال، بالي Ballie من شركة سامسونغ. إنه مفهوم جديد للمساعد الشخصي الشبيه بالكرة والذي كشفت عنه الشركة في المعرض CES. وتصف الشركة بالي بأنه مساعد يتلقى الطلبات عبر الصوت ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪المكملات الغذائية... ضرورة صحية أم ترف عصري
. أمجد قاسم
يحرص كثير من الناس على تناول مجموعة من المكملات الغذائية التي تعرف باسم المضافات التغذوية Nutritive Additives مع وجباتهم الغذائية، من أجل التمتع بصحة جيدة والعيش طويلاً، وتحصين أجسادهم قبل مواجهة الأمراض المختلفة. وتسوق كثير من الشركات العالمية لفوائد هذه المكملات في حملات دعائية، فتحيطها بهالة سحرية وتكسبها بعض الصفات المبالغ فيها في كثير من الأحيان. فأين تكمن الحقيقة؟ وهل تناول المكملات الغذائية على اختلاف أنواعها أمر صحي ... (قراءة المقال)
كيف تعمل الآشياء
‫‪كيف تعمل التكنولوجيا
المؤلف: DK ■ الناشر: DK ■ السعر: 16.99 جنيه إسترليني نحو 22 دولاراً ■ تاريخ الإصدار: صدر فعليّاً
لأنه موضوع قريبٌ جداً من قلوبنا هنا في مجلة كيف تعمل الأشياء، يأخذنا كتاب «كيف تعمل التكنولوجيا» في جولة عبر طرق العمل الداخلية لجميع أنواع آلات الحياة العصرية، من أمور مثل مصافي النفط وخطوط الطاقة، إلى مركبات مثل الدراجات والسيارات، إلى الآلات الأحدث مثل الدرونات ومسابير الفضاء، وكذلك التقنيات التي قد تضمن بقاءنا في المستقبل. برع الناشر ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪النظائر المشعة وفوائدها الطبية
لمهندس أمجد قاسم
ترتبط كلمة الإشعاعات لدى كثير من الناس بالأخطار والكوارث النووية، إلا أن الحقيقة تدحض بعض تلك المزاعم، فعلى الرغم من أخطار بعضها، فإن لكثير من تلك الإشعاعات دوراً مفيداً للإنسان، وقدمت خدمات جليلة على امتداد نحو قرن من الزمن. علماً أنه في كل لحظة تخترق أجسامنا آلاف الأنواع من الأشعة، ولم يعرف الإنسان ماهيتها حتى وقت قريب نسبياً، بعد أن تنبه عدد من الباحثين لها، وجرى الكشف عن أنواعها وهويتها وفوائدها وأضرارها.
الإشعاع ... (قراءة المقال)
‫‪رسم خريطة الكواكب اكتشاف العوالم الأخرى خارج كوكبنا
ن رووني الناشر: آركتورس  14.99 جنيه إسترليني مجلد غلاف فني
يقودك تصفح رحلة آن رووني المصورة عبر المجموعة الشمسية إلى إدراك أن الكواكب الأخرى خارج كوكب الأرض كانت تعرف قبل أربعة قرون على أنها مجرد نقاط ضوء بعيدة في سماء زرقاء مخملية. وخلال عدة عشرات من الأجيال تفتحت أعيننا على ما تصفه لنا الأكاديمية والكاتبة العلمية رووني ب: طريقة مختلفة للمعرفة. فلأول مرة يسعى علماء الفلك إلى أكثر من مجرد معرفة مدارات الكواكب، ويدركون أنها عوالم مجاورة ... (قراءة المقال)