هل تتغير سرعة الصوت مع تغير درجة الحرارة؟

تستعرض هذه المقالة تعريف الصوت وكيف ينتقل وما هي شروط انتقاله، كما تستكشف أيهما أكبر سرعة الصوت في الماء أو في الهواء، وأخيرًا تذكر مجموعة من المواد التي تكون فيها سرعة الصوت أكبر من غيرها.

ما هو الصوت؟

الصوت هو اهتزاز أو اضطراب ينتقل عبر أي وسيط عن طريق نقل الطاقة من جسيم إلى آخر، ويمكن سماعه عندما يصل إلى أذن الإنسان أو الحيوان، فعندما يهتز جسم ما، فإنه ينقُل طاقته إلى الجزيئات المحيطة به ويجعلها تهتز، تتصادم هذه الجزيئات مرة أخرى مع الجزيئات الملاصقة لها مما يجعلها تهتز أيضًا، وهكذا ينتقل الصوت. 

كيف ينتقل الصوت؟

يحتاج الصوت إلى وسط مادي لنقله سواء كان غازًا كالهواء أو سائلًا كالماء أو صلبًا كالحديد، لذلك لا يمكن للصوت أن ينتقل عبر الفراغ، وذلك لأن الفراغ لا يحتوي على جزيئات لتعمل كوسيط ناقل، وينتقل الصوت عبر الهواء والسائل كموجات طولية، لكنّه ينتقل على شكل موجات طولية وعرضية خلال المواد الصلبة.

تنتشر موجات الصوت في الأوساط المادية على هيئة اهتزازات تُحدث تضاغطات وتخلخلات للوسط الذي تنتشر فيه، فتنتقل الطاقة من خلال جزيئات المادة التي تمر خلالها، وينتشر الصوت في المواد على شكل موجة تتذبذب في نفس اتجاه حركة انتشار الموجة، وتخضع لجميع قوانين الفيزياء.

شروط انتقال الصوت 

هناك عدّة ظروف وشروط يجب توافرها لانتقال الصوت وجعله مسموعًا للأذن البشرية، حيث ينتقل الصوت ويمكن سماعه إذا كان:

• هناك مصدر صوتي أي مصدر مُهتز.
• إذا كان بين المصدر والأذن وسط مادي.
• إذا كان تردد الصوت في المدى السمعي للأذن.
• إذا كان الصوت قوي بحيث تشعر به الأذن.

هل ينتقل الصوت في الماء أسرع من الهواء؟

ينتقل الصوت في الماء أسرع من الهواء، وتتفوق سرعة الصوت في الماء على سرعة الصوت في الهواء بفارق كبير كما سبقت الإشارة. ويعتبر الصوت في الماء والصوت في الهواء موجتين تتحركان بالمثل ويمكن وصفهما بنفس الطريقة. وتختلف سرعة الصوت باختلاف المادة التي ينتقل عبرها.

يحتاج الصوت إلى مادة معينة ينتقل عبرها، بل إنه لا يمكن للصوت أن يوجد أصلًا أو ينتقل مثلًا عبر الفضاء الخارجي لأنه فراغ لا يحتوي على شيء ليحمِل الصوت. ويمكن أن تنتقل الموجات الصوتية عبر أي مادة، بما في ذلك الغازات (مثل الهواء) والسوائل (مثل الماء) والمواد الصلبة (مثل قاع البحر).

تتراوح سرعة الصوت في المحيطات مثلًا ما بين 1450 و 1570 مترًا في الثانية. وتختلف هذه السرعة حسب ظروف المياه من حرارة ورطوبة وعمق وضغط وغيرها. وبالمقابل لا تتعدى سرعة الصوت في الهواء 344 مترًا في الثانية وتتأثر بدورها بمختلف المؤثرات المتعلقة بحرارة الجو والرطوبة وغيرها. وكلما تغير أحد هذه المؤثرات كلما زادت أو نقصت سرعة الصوت سواء في الماء أو الهواء. فيمكن مثلًا أن تزيد سرعة الصوت بنحو 4.5 مترًا (حوالي 15 قدمًا) في الثانية لكل زيادة في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية. و1.3 مترًا (حوالي 4 أقدام) في الثانية لكل زيادة في الملوحة بمقدار 1 رطل / بوصة مربعة. وتؤدي زيادة الضغط أيضًا إلى زيادة سرعة الصوت بمعدل حوالي 1.7 متر (حوالي 6 أقدام) في الثانية عن كل زيادة في الضغط بمقدار 100 متر في العمق.

وتكون التغييرات في سرعة الصوت عادةً في الاتجاه الأفقي للمياه طفيفة، باستثناء المناطق التي توجد فيها حدود بين مياه مختلفة الخصائص. وتعتبر تأثيرات الملوحة ودرجة الحرارة على سرعة الصوت أكثر أهمية من تأثير الضغط في الطبقات العليا للمياه. ففي أعماق المحيطات، تتغير الملوحة ودرجة الحرارة بشكل أقل مع العمق، ويصبح الضغط هو العامل المسيطر. وفي حالة تمييع سطح الماء، تتعارض تأثيرات الملوحة ودرجة الحرارة على سرعة الصوت مع بعضها البعض، بينما في حالة التبخر تقوي بعضها البعض، مما يؤدي إلى انخفاض سرعة الصوت في العمق تحت طبقات المحيط العليا فتزداد سرعة الصوت مع زيادة العمق.

تتغير إذن سرعة الموجة الصوتية باستمرار مع زيادة العمق، وتؤدي الاختلافات في سرعة الصوت إلى انكسار الموجات الصوتية عندما تنتقل بشكل غير مباشر عبر طبقات من الماء لها خصائص مختلفة الملوحة ودرجة الحرارة. وتنحني الموجات الصوتية التي تتحرك لأسفل وتتحرك بشكل غير مباشر إلى طبقات الماء لأعلى عندما تزداد سرعة الصوت مع العمق وتنخفض عندما تنخفض السرعة مع العمق. ويعد انكسار الصوت هذا مهمًا في اكتشاف السونار للغوّاصات لأن المسار الفعلي للموجة الصوتية يجب أن يكون معروفًا لتحديد موقع الغواصة بالنسبة إلى مرسل الصوت. 

ما الذي ينتقل فيه الصوت أسرع؟

لقد تبين مما سبق أن الصوت ينتقل بسرعات مختلفة حسب الوسط وحسب المادة الوسيطة التي ينتقل عبرها. وتتنوع سرعات الصوت بين سرعة الاحتكاك وسرعة الاتجاه أو السرعة الطولية. وتعتبر السرعة الطولية هي السرعة المعتمدة بالأساس في تقدير وحصر سرعة الصوت. وهي المدة الزمنية التي يقطع فيها الصوت مسافة معينة ما بين نقطتين، وتقاس عادة بالمتر في الثانية. ومن حيث الوسط الذي ينتقل فيه الصوت أسرع يمكن ترتيب سرعة الصوت بين الهواء والماء والمادة كما يلي:

• يكون الصوت أسرع في الوسط الصلب أو الانتقال عبر المادة بمختلف أنواعها. ويرجع ارتفاع سرعة الصوت في المواد الصلبة إلى أن الجزيئات الموجودة في الوسط الصلب تكون أقرب إلى بعضها من تلك الموجودة في الوسط السائل أو الهوائي، مما يسمح للموجات الصوتية بالانتقال بسرعة أكبر خلالها. فتنتقل الموجات الصوتية في مادة البيريليوم مثلًا بسرعة تصل إلى 13 ألف متر في الثانية، وهي سرعة تعتبر قياسية بالمقارنة مع باقي المواد الأخرى. كما أن الصوت ينتقل بسرعة عبر الفولاذ أسرع 17 مرة من انتقاله في الهواء. 
• يكون الصوت أقل سرعة في الوسط السائل أي في الماء مقارنة بالمادة أو عبر الوسيط الصلب، لكن سرعة الصوت في الماء تتفوق على سرعة الصوت في الهواء. وينتقل الصوت في السوائل أسرع منه في الغازات والهواء لأن الجزيئات تكون أكثر إحكامًا. في المياه العذبة تنتقل الموجات الصوتية بسرعة 1482 مترًا في الثانية (حوالي 3315 ميل في الساعة). وهي سرعة أكبر 4 مرات من سرعة الصوت في الهواء. وتعتمد العديد من الحيوانات التي تعيش في المحيطات على الموجات الصوتية للتواصل مع الحيوانات الأخرى وتحديد موقع الطعام والعقبات. ويرجع السبب في قدرتها على استخدام طريقة الاتصال هذه بشكل فعال عبر مسافات طويلة هو أن الصوت ينتقل بشكل أسرع في الماء.
• يكون الصوت أقل سرعة في الهواء، مقارنة بالماء والمادة الصلبة. وتعتمد سرعة الصوت على خصائص الوسط الذي تمر من خلاله. ومن خصائص سرعة الصوت في الهواء أنه فقط عندما تتصادم الجزيئات مع بعضها البعض يمكن أن تتحرك وتُخلخل الموجة الصوتية. ومن المهم أيضًا معرفة درجة الحرارة، لأنه في درجات الحرارة المنخفضة، تتصادم الجزيئات في كثير من الأحيان، مما يمنح الموجة الصوتية فرصًا أكبر للتحرك بسرعة. وعند التجمّد (0 درجة مئوية)، ينتقل الصوت عبر الهواء بسرعة 331 مترًا في الثانية (حوالي 740 ميل في الساعة). ولكن عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، ينتقل الصوت بسرعة 343 مترًا في الثانية (767 ميلًا في الساعة).

تكون سرعة الصوت أكبر ما يمكن في المواد التالية:

من خلال المقارنات السابقة يتأكد إذن أن المواد الصلبة تعتبر أكثر وسيط مساعد في ارتفاع سرعة الصوت مقارنة بالسوائل أو الغازات. وتختلف هذه المواد الصلبة من حيث خصائصها الكيميائية والفيزيائية مما يؤدي أيضًا إلى اختلاف سرعات الصوت فيها. ويمكن التركيز هنا على أربع مواد أساسية، تكون سرعة الصوت أكبر ما يمكن في المواد التالية:

البيريليوم (12900) والألماس (12000) وكربيد البورون (11000) وأكسيد الألومينا (9900) والألومنيوم (6300).

ويقدم الجدول أدناه نبذة عن سرعات الصوت المختلفة حسب المواد الصلبة التي يمرّ عبرها. 

اقرأ/ي أيضًا:

هل ينطبق قانون نيوتن الثالث على الحياة العملية؟

هل يُمكن اختراق حاجز الصوت فعلاً؟ 

هل البنزين موصل للكهرباء؟

هل الإسمنت الأبيض عازل للماء؟