سرعة الصوت
في جزيرة إلدوريا البركانية، تتراقص أصداء غريبة في الهواء. حدائق زهور النار تتفتح، لكن هناك شيئًا آخر يحدث. صوت الرعد البعيد ينتقل أسرع بكثير مما ينبغي! حقيقة: سرعة الصوت ليست ثابتة؛ بل تتغير بناءً على درجة الحرارة والوسط الذي ينتقل عبره.
ديّا، التي تزور إلدوريا مع عائلتها، تلاحظ شيئًا غريبًا. تقول وهي تنظر للأعلى: "صوت الرعد كان شبه فوري يا أبي". يوافقها والدها، وهو رجل متفكر يرتدي نظارة، وله لحية قصيرة ومرتبة، وشعر رمادي عند الصدغين، ويقول: "هذا صحيح يا ديّا، البرق والرعد يحدثان في نفس الوقت، لكن الصوت هو الذي يصل متأخرًا". "هذا غريب، أليس كذلك؟" سألت ديّا. فأجاب والدها: "نعم، إنه كذلك. يستغرق الصوت بعض الوقت لينتقل، لذلك يأتي الرعد دائمًا بعد البرق. لكن هنا، التأخير أقصر بكثير من المعتاد. ولكن لماذا؟" حقيقة: ينتقل الصوت بسرعة ثلاثمئة وثلاثة وأربعين مترًا في الثانية تقريبًا في الهواء الجاف عند درجة حرارة عشرين مئوية. هذه السرعة أبطأ بكثير من سرعة الضوء، الذي ينتقل بسرعة مئتين وتسعة وتسعين مليونًا وسبعمئة واثنين وتسعين ألفًا وأربعمئة وثمانية أمتار في الثانية!
لاحقًا، تجلس ضياء ووالدتها على مقعد يطل على حقول زهور النار. ضياء، ودفتر الملاحظات في يدها، تتأمل بصوت عالٍ. "أمي، الهواء هنا دافئ جدًا، هل يمكن أن يكون لذلك علاقة بالأمر؟" تبتسم والدتها، وهي امرأة ودودة ذات شعر داكن مموج يصل إلى الكتفين وعينين بنيتين دافئتين. "هذا سؤال رائع يا ضياء!" "أمي، هل تتذكرين ما قاله أرسطو؟ 'كلما عرفت أكثر، أدركت أكثر أنك لا تعرف.' ربما للهواء الساخن في الجزيرة علاقة بسبب سرعة الصوت. هل تؤثر الحرارة على الصوت؟" حقيقة: معلومة ممتعة: ينتقل الصوت بشكل أسرع في الهواء الدافئ لأن الجزيئات تكون أكثر نشاطًا وتتصادم بشكل متكرر.
تتخيل ضياء الهواء عن قرب. حرارة البركان تحرك جزيئات الهواء. عندما ينتقل الصوت، كما تفكر، فإنه يشبه قطع الدومينو الصغيرة التي تدفع بعضها البعض. الهواء الأكثر سخونة يجعل "قطع الدومينو" تقف أقرب و"الدفع" يسير بشكل أسرع! حقيقة: في الهواء الأكثر دفئًا، ينتقل الصوت أسرع بحوالي صفر فاصلة ستة من المتر في الثانية لكل درجة مئوية زيادة في درجة الحرارة.
ترسم ضياء رسومات سريعة في دفتر ملاحظاتها. تتذكر أنها تعلمت أن الصوت ينتقل بشكل أسرع عبر المواد الأكثر كثافة. تتساءل وهي ترسم رسمًا بيانيًا: "ربما تجعل الغازات البركانية الهواء أكثر كثافة أيضًا؟" حقيقة: ينتقل الصوت بشكل أسرع عبر الأوساط الأكثر كثافة مثل المواد الصلبة والسوائل. على سبيل المثال، ينتقل الصوت أسرع بحوالي أربعة أضعاف في الماء منه في الهواء!
تتذكر تأثير دوبلر. عندما تمر سيارة إطفاء مسرعة، يبدو أن صفارتها تغير حدتها. إذا كان المصدر يتحرك نحوك، فإن الموجات الصوتية تنضغط، مما يرفع التردد! "هل يمكن أن يلعب هذا دوراً؟" حقيقة: يؤثر تأثير دوبلر، الذي اكتشفه كريستيان دوبلر في عام ألف وثمانمئة واثنين وأربعين، على كل من موجات الصوت والضوء.
"الصوت ينتقل أسرع تحت الماء أيضًا"، يذكر والد دييا على العشاء تلك الليلة. "لهذا السبب تستخدم الغواصات السونار للملاحة". ويوضح أن السونار يعمل عن طريق إرسال موجات صوتية وقياس المدة التي تستغرقها للعودة. إنه مثل الصدى، ولكنه أكثر دقة بكثير. "هل تعلمين أن سرعة الصوت ضرورية لتحديد الموقع بالصدى الذي تستخدمه الخفافيش والدلافين؟ هذه الحيوانات تستخدم الصوت 'لترى' في بيئتها"، يقول والدها. حقيقة: تم تطوير السونار (الملاحة وتحديد المدى بالصوت) بشكل مكثف خلال الحرب العالمية الأولى للكشف عن الغواصات.
تتخيل ضياء طائرة نفاثة تحلق في السماء. ماذا يحدث عندما تطير طائرة أسرع من سرعة الصوت؟ إنها تُحدث دويًا صوتيًا! تلحق الطائرة فعليًا بالموجات الصوتية التي تُحدثها، وتضغطها في موجة صدمية. "هذا تحدٍ!" تصيح ضياء، "كيف يمكن لطائرة أن تسير أسرع من الصوت؟" حقيقة: كان أول شخص يكسر حاجز الصوت هو تشاك ييغر في عام ألف وتسعمئة وسبعة وأربعين، حيث كان يقود طائرة بيل إكس وان بسرعة ماخ واحد فاصلة صفر ستة.
تُفكر ضياء في البركان مرة أخرى. هل يمكن أن يُحدث الانفجار نفسه نوعًا من دوي اختراق حاجز الصوت؟ أو ربما شكل الجزيرة يركز الصوت بطريقة ما؟ إنه لغز يستحق الحل! قالت ضياء: "واو، الجزيرة مثل مضخم صوت عملاق." وبدأت تكتب بسرعة في دفتر ملاحظاتها. حقيقة: يمكن أن تولد الانفجارات البركانية موجات تحت صوتية - أصوات بترددات أقل من نطاق السمع البشري - تنتقل لمسافات شاسعة.
يساعدنا فهم سرعة الصوت على استكشاف العالم. فمن الطب إلى الموسيقى، ومن الاتصالات إلى علم المناخ، يخبرنا الاستماع إلى الصدى عن الكون من حولنا! الإجابات تنتظرنا، كل ما علينا فعله هو الاستماع. حقيقة: يعتمد كل من الموجات فوق الصوتية الطبية والآلات الموسيقية والرصد الزلزالي على فهم خصائص الموجات الصوتية.