العوامل التي تؤثر في سرعة الصوت

العوامل المؤثرة على سرعة الصوت

تُعتبر سرعة الصوت (بالإنجليزية: Speed of Sound) هي المعدل الذي تنتشر به الموجات الصوتية عبر مواد متنوعة. في الوسط الجاف عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، تبلغ سرعة الصوت نحو 331.29 مترًا في الثانية. بينما في الوسط السائل عند درجة حرارة 8 درجات مئوية، تصل سرعة الصوت إلى حوالي 1,439 مترًا في الثانية.

سنستعرض في السطور التالية أهم العوامل التي تؤثر على سرعة الصوت:

كثافة الوسط

تعتمد سرعة الصوت على كل من مرونة وكثافة الوسط الذي تنتقل خلاله. الجدير بالذكر أن العلاقة بين سرعة انتقال الصوت ومرونة الوسط هي علاقة طردية، فكلما انخفضت كثافة الوسط، زادت مرونته مما يؤدي بالتالي إلى زيادة سرعة الصوت (السرعة = المرونة / الكثافة). بناءً على ذلك، ينتقل الصوت بسرعة أكبر في السوائل مقارنةً بالغازات، بينما يكون أكثر سرعة في المواد الصلبة مقارنة بالسوائل.

الضغط

عند درجة حرارة ثابتة، لا يؤثر ضغط الهواء بشكل ملحوظ على سرعة الصوت في الغازات، لأن الكثافة ستزداد، ومع وجود تأثيرات متساوية بين الضغط والكثافة، فإن ذلك يؤدي إلى إلغاء تأثيراتهما على سرعة الصوت. على العكس من ذلك، في الوسط السائل يتضح تأثير الضغط على سرعة الصوت، حيث تزداد سرعة الصوت مع زيادة ضغط الماء، مما يشير إلى وجود علاقة طردية بين الضغط وسرعة الصوت في السوائل.

درجة الحرارة

تزداد سرعة الصوت في أي وسط مع ارتفاع درجة الحرارة، أي أن العلاقة بين درجة الحرارة وسرعة الصوت أيضاً هي علاقة طردية. عندما تكون جزيئات المادة أكثر حرارة، تزداد حركتها. وقد قام العلماء بتطوير صيغة رياضية يمكن استخدامها لحساب سرعة الصوت في الهواء الجاف، والتي تناسب جميع درجات الحرارة، وتنص الصيغة على: سرعة الصوت = 331 + (0.61 * درجة الحرارة).

سرعة الصوت في الأوساط المختلفة

الآن، نقدم لكم عرضًا لسرعة الصوت في مواد مختلفة.

سرعة الصوت في الأوساط الصلبة

تنتقل الموجات الصوتية بين جزيئات المواد الصلبة بصورة أسرع وأقل زمنًا بسبب قرب الجزيئات وكثافة المواد الصلبة الكبيرة، مما يؤدي إلى اصطدام الجزيئات بعضها ببعض بشكل أسرع. على سبيل المثال، تصل سرعة الصوت في المواد الصلبة إلى 6000 متر في الثانية، بينما تُسجل في الفولاذ 5100 متر في الثانية. وتجدر الإشارة إلى أن سرعة الصوت في الألماس تفوق سرعة انتقالها في الماء بـ 35 مرة.

سرعة الصوت في الأوساط الغازية

تتسم انتقال الموجات الصوتية عبر الغازات ببطء بسبب تباعد الجزيئات. من المهم أن نلاحظ أن الطاقة الصوتية تحتاج إلى وقت أطول للانتقال من جزيء إلى آخر مقارنة بأي وسط آخر نتيجة للتباعد بين جزيئات الغاز.

سرعة الصوت في الأوساط السائلة

تنتقل الموجات الصوتية عبر الأوساط السائلة بشكل أسرع من الأوساط الغازية، ولكن أبطأ مما تحدث في الأوساط الصلبة. يعود السبب في ذلك إلى أن المسافات بين الجزيئات في السوائل تكون أقل من تلك الموجودة في المواد الصلبة، ولكن أكثر من المسافة بين الجزيئات في الغازات. وبالتالي، يمكن اعتبار سرعة الصوت في السوائل تتوسط بين المواد الصلبة والغازية.