ما هو جدار الصوت

تعريف جدار الصوت

يُعرف جدار الصوت أو ما يُعرف بحاجز الصوت (بالإنجليزية: Sound Barrier) على أنه القوة التي تُعارض وتقاوم حركة جسمٍ ما عندما تصل سرعة هذا الجسم إلى السرعة التي يتحرك بها الصوت. إذا ما تم كسر حاجز الصوت وتخطيه (أي التحرك بسرعة أكبر من سرعة الصوت) فسوف ينتج صوتٌ مدوٍّ.^[١] ولفهم ماهية حاجز الصوت أكثر والذي يحدث عند تخطيه فيجب أولاً تعريف الصوت والتعرف على ماهيته، ومن ثم الحديث عن سرعة الصوت ومقدارها.

الصوت

في الفيزياء الصوت هو عبارة عن موجات ميكانيكية طولية؛ وتُعرف الأمواج الميكانيكية على أنها الأمواج التي تنتقل خلال الأوساط المادية، ولا يمكنها الانتشار دون وجودِ وسطٍ مادي (وسط صلب أو سائل أو غازي)،^[٢] يمكن تصنيف الأمواج تبعاً لطريقة انتشارها إلى نوعين؛ أمواج طولية يكون اتجاه انتشارها موازياً لاتجاه الاهتزاز، وأمواج مستعرضة يكون اتجاه انتشارها عامودياً على اتجاه اهتزازها.^[٣] يمكن تعريف الصوت على أنه الاهتزاز الناشئ والمحمول على الأوساط المادية (مثل الهواء أو الماء أو الخشب أو…) لينتقل خلالها، وإذا وصل الصوت لمستقبل مثل أذن الإنسان فإنه يمكن إدراكه عن طريق حاسة السمع.^[٤]

سرعة الصوت

مثل أي سرعة أخرى فإن سرعة الصوت هي المسافة التي تقطعها الموجة الصوتية في زمن محدد، وفي جميع الأوساط المادية تعتمد سرعة الصوت بشكلٍ أساسي على بعض الخصائص المادية مثل الخصائص القصورية والخصائص المتعلقة بالمرونة، ويكون التأثير الأكبر على سرعة الصوت ناتجاً عن إسهام خصائص المرونة؛ حيث إنه كلما زاد تفاعل جزيئات وذرات المادة مع بعضها البعض زادت سرعة الصوت في هذا الوسط المادي (ولهذا تكون سرعة الصوت في الأوساط الصلبة أكبر منها في الأوساط الغازية)، وبشكلٍ عام تكون سرعة الصوت أقل ما يمكن في الأوساط الغازية، وتزداد سرعتها في الأوساط السائلة، وتكون لها أكبر سرعة في الأوساط الصلبة، وهذا بالتأكيد بسبب خصائص المرونة.^[٥]

ع_صلبة > ع_سائلة > ع_غازية

لكن من ناحية أخرى تكون الخصائص القصورية هي المسيطرة فقط في حالة مقارنتنا لسرعة الصوت في طورٍ واحدٍ للوسط الناقل للموجة الصوتية (مثل مقارنة سرعة الصوت في غازين مختلفين)، وكثافة المادة هي واحدة من الخصائص القصورية المؤثرة في سرعة الصوت، حيث إن الكثافة تتناسب تناسباً عكسياً مع سرعة الصوت، فتقل سرعة الصوت كلما زادت الكثافة، وتزداد سرعة الصوت كلما قلت الكثافة. إذاً سوف تكون سرعة الصوت أكبر ما يمكن في الأوساط الأقل كثافة، فلو قارنا بين سرعة الصوت في غاز الهيليوم وسرعة الصوت في الهواء سنجد أن سرعة الصوت في غاز الهيليوم هي الأكبر بسبب انخفاض كثافة الهيليوم بالمقارنة مع الهواء.^[٥]

سرعة الصوت في الهواء

في الهواء تعتمد سرعة الصوت بشكلٍ أساسي على درجة حرارة الهواء، وأيضاً تعتمد بشكلٍ ثانوي على نسبة الرطوبة في الهواء (نسبة بخار الماء الموجود في الهواء)؛ حيث إن نسبة بخار الماء في الهواء تتحكم في كثافة الوسط المحمولة عليه الموجة (تذكر أن الكثافة هي واحدة من الخصائص القصورية للوسط)، وقمنا بتوضيح أثر الكثافة على سرعة الصوت سابقاً. تُعتبر درجة الحرارة واحدة من العوامل المؤثّرة بشدة في سرعة الصوت لأنها سوف تؤثر في تفاعل جزيئات الوسط مع بعضها البعض (لأنه بتغير درجة الحرارة للمادة فإن هذا سوف يؤثّر على مقدار الطاقة الحركية التي تمتلكها جزيئات الوسط)، وهذه واحدة من خصائص المرونة التي تؤثر في سرعة الصوت بشكلٍ كبير.^[٥]

يمكن حساب سرعة الصوت في الهواء الجاف عند مستوى الضغط الجوي العادي حسب العلاقة الآتية:

ع = 331 + (0.6 × د)

حيث إن (ع) هي سرعة الصوت، و(د) هي درجة حرارة الهواء، ومن هذه العلاقة يمكن التنبؤ بسرعة الصوت في الهواء في الظروف المعيارية (ضغط جوي طبيعي، ودرجة حرارة 20 س)، حيث إن سرعة الصوت في هذه الظروف ستساوي 343م/ث، وفي هذا المقال سوف نفترض أن سرعة الصوت في الهواء ثابتة وهي تساوي سرعته في الظروف المعيارية.^[٥]

جدار الصوت وعدد ماخ

لنقل أن هناك طائرة تطير بسرعةٍ ما في السماء، بسبب حركتها هذه فإنها تسبب حركة جزيئات الهواء التي نلاحظها على شكل صوت هدير محرك الطائرة. النسبة بين سرعة الطائرة إلى سرعة سرعة الصوت هي ما يُعرف بعدد ماخ (بالإنجليزية: Mach Number) وعدد ماخ دائمًا أكبر أو يساوي صفراً. لو كان عدد ماخ محصوراً بين الصفر والواحد فإن سرعة الطائرة تكون دون سرعة الصوت ويكون تأثير الانضغاطية مهملاً (أي مدى تغير ضغط الهواء حول الطائرة)، بينما لو كان عدد ماخ يساوي قيمة قريبة جداً من الواحد فإن سرعة الصوت تكون قريبة جداً من سرعة الصوت ويصبح تأثير الانضغاطية مهماً جداً، وإذا كان عدد ماخ أكبر من واحد فإن سرعة الطائرة تكون أكبر من سرعة الصوت، وهنا لا يمكن إهمال تأثير الإنضغاطية، ومن الممكن تشكل موجة الصدمة (بالإنجليزية: Shock Wave)^[٦]

كما قلنا سابقاً فإن حركة الطائرة تولّد موجة صوتية تنتشر مبتعدة عن الطائرة، لكن في حالة أن الطائرة قد تجاوزت سرعة الصوت فإن الصوت لا يعود قادراً على تجاوز الطائرة وبهذا تتمكن الطائرة من اختراق جدار الصوت مسببةً تغيراً مهولاً في ضغط الهواء، وعند تشكل موجة الصدمة فإنه يتشكل (جسم) و(أجنحة)؛ حيث إن الهواء حول الطائرة يصبح غير مستقر، وقد يتسسب هذا الأمر بفقدان السيطرة على الطائرة.^[٧][٨]

المراجع

1. ↑ “the sound barrier”, www.dictionary.cambridge.org, Retrieved 21-2-2018. Edited.
2. ↑ “Definition of mechanical waves”, www.chemistry-dictionary.com, Retrieved 20-4-2018. Edited.
3. ↑ “An introduction to waves”, www.bbc.co.uk, Retrieved 20-4-2018. Edited.
4. ↑ “Sound”, www.en.oxforddictionaries.com, Retrieved 20-4-2018.
5. ^ ^{أ ب ت ث} “The Speed of Sound”, www.physicsclassroom.com, Retrieved 21-5-2018.
6. ↑ “Speed of Sound”, www.grc.nasa.gov, Retrieved 22-5-2018. Edited.
7. ↑ “Sound barrier”, www.britannica.com, Retrieved 22-5-2018.
8. ↑ “What happens when an aircraft breaks the sound barrier?”, www.scientificamerican.com, Retrieved 22-5-2018.