آزمایش شنوایی در خانه
مقدمه:
امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج می‌توانند در جامدات، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده‌ی این فیزیک امواج ، در راستای انتشار موج نوسان می‌کنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گستره‌ی وسیعی از بسامدها به وجود می‌آیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواج صوتی در محدوده‌ای قرار گرفته‌اند که می‌توانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند. این محدوده تقریبا از 20 هرتز تا حدود 20000 هرتز است و گستره‌ی شنیده شدنی نامیده می‌شود. فیزیک امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره‌ی شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد، امواج فراصوتی گویند.
نواختن موسیقی کاری بسیار سرگرم کننده است که با آن می‌توان در مورد فیزیک صوت نیز بیشتر آموخت. با استفاده از یک رشته نخ و کمک گرفتن از یک نفر دیگر، هر فرد مبتدی در زمینه‌ی موسیقی می‌تواند صداهای زیبا تولید کند. این فعالیت علمی جذابیت به خصوصی دارد زیرا آنچه که برای شما در این آزمایش قابل شنیدن است توسط افراد دیگر قابل تشخیص نخواهد بود.
پیش‌زمینه:
با رسیدن ارتعاشات هوا به گوش انسان و تحریک اعصاب برای ارسال سیگنال‌های الکتریکی به مغز، صداها شنیده می‌شوند. امواج صوتی ارتعاشات را به گوش انسان می‌رسانند. هوای در حال حرکت در داخل گوش انسان به پرده‌ی گوش فشار وارد می‌کند و پرده شروع به ارتعاش می‌کند. پرده‌ی گوش نیز در عوض به استخوان‌های گوش میانی که کوچکترین استخوان‌ها در بدن انسان هستند فشار وارد می‌کند. این استخوان‌ها مانند مجموعه‌ای از اهرم‌ها عمل می‌کنند و غشای نازکی که در ابتدای گوش میانی وجود دارد را فشار می‌دهند.
مواد و وسایل مورد نیاز:
یک همراه برای کمک در انجام آزمایش
یک تکه نخ به طول تقریبی پنج فوت
آماده‌سازی:
دستان‌تان را روی گوش‌های خود قرار دهید.
از همراه خود بخواهید نخ را به دور سرتان (از روی دست‌هایتان) بپیچد و به آرامی دو انتهای آن را بکشد.
روش کار:
در حالی که همراهتان دو انتهای نخ را به آرامی می‌کشد، از او بخواهید با انگشت به آن ضربه بزند (مانند نواختن گیتار). چه چیزی می‌شنوید؟ به نظرتان چرا این اتفاق می‌افتد؟ همراه شما با انجام این کار چه چیزی می‌شنود؟
حال از دستیار خود بخواهید دو انتهای نخ را محکم‌تر بکشد و مجدداً به آن ضربه وارد کند. چه چیزی می‌شنوید؟ آیا صدایی که به گوش شما می‌رسد تغییر کرده است؟ به نظرتان دلیل این اتفاق چیست؟
اکنون از دستیارتان بخواهید کمی نخ را دور سرتان شل کند. با ضربه زدن به نخ این بار چه صدایی می‌شنوید؟ دلیل این اتفاق چیست؟
حال جای خود را با دستیارتان عوض کنید و این بار شما نخ را دور سر همراهتان بپیچید و به آن ضربه وارد کنید. با ضربه زدن به نخ چه می‌شنوید؟ از دستیارتان نیز بخواهید در مورد صدایی که شنیده است برایتان توضیح دهد.
میزان فشار وارد بر نخ را تغییر دهید و از همراه خود بخواهید آنچه را که با این تغییرات می‌شنود برایتان توصیف کند.
آزمایش تکمیلی:
همین فعالیت را با نخ‌هایی در اندازه‌ها و انواع مختلف انجام دهید. (برای مثال نخ نایلون، نخ پنبه و یا بند کفش) اندازه و نوع ماده چه تأثیری بر چگونگی انتقال امواج صوتی دارد؟ صدای تولید شده دارای چه فرکانسی (بالا و یا پایین) است؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
به نظرتان چرا شنیدن صدا توسط شما زمانی که نخ دور سر دستیارتان پیچیده شده است بسیار دشوارتر از زمانی است که نخ دور سر خودتان قرار دارد؟ زمانی که شما به نخی که دور سر دستیارتان پیچیده شده است ضربه وارد می‌کنید نخ شروع به ارتعاش می‌کند.
برای رسیدن به گوش شما، ارتعاشات باید به هوا فشار وارد کنند تا امواج صوتی که از طریق هوا جا به جا می‌شوند به وجود بیایند. اما از آنجا که نخ خیلی بزرگ نیست هوای زیادی تحت فشار قرار نمی‌گیرد و به این ترتیب ارتعاشات صوتی به راحتی از نخ وارد هوا نمی‌شوند.
با این وجود زمانی که نخ دور سر شما قرار گرفته است، صوت می‌تواند مسیر مستقیم‌تری را به گوش شما طی کند. در این حالت ارتعاشات به جای حرکت از طریق هوا از راه دست و استخوان جمجمه به طور مستقیم به مایع داخل حلزون گوش داخلی می‌روند.
به جای حرکت از یک محیط جامد به هوا و پس از آن وارد شدن مجدد به یک محیط جامد، ارتعاشات ترجیح می‌دهند از محیط جامد (نخ) به محیط جامد دیگر (بدن شما) و سپس به محیط مایع (مایع داخل بخش حلزونی گوش) بروند. در نتیجه صدایی که در این حالت می‌شنوید بسیار بلندتر و واضح‌تر از حالتی است که نخ به دور سر دستیارتان پیچیده شده باشد.
در نخ‌های در حال ارتعاش رابطه‌ای میان تنش و سرعت ارتعاش امواج در نخ وجود دارد. در نتیجه صدایی که می‌شنوید حاصل ایجاد تنش در نخ است؛ هر چه نخ محکم‌تر کشیده شود فرکانس ارتعاشات بیشتر خواهد شد. این تنش زیاد سبب ایجاد فرکانس بالا در صوت حاصل است. هر چه نخ کمتر کشیده شود نتیجه عکس خواهد شد: فرکانس ارتعاشات کاهش می‌یابد و صدایی که توسط فرد شنیده می‌شود در محدوده‌ای پایین‌تر است.
منبع: Make Amazing Sounds Only You Can Hear
