הצגת התופעה

ידוע שעל מנת לשמוע רכבת מתקרבת נקדים לשמוע את בואה אם נצמיד את אוזנינו למסילת הרכבת ולא נאזין באופן רגיל. הסיבה היא שקול נע במהירות גבוהה יותר בתווך צפוף, כלומר חומר צפוף יותר. ולכן הקול שעושה הרכבת יגיע מהר יותר דרך מסילות הברזל מאשר דרך האוויר.  באופן הפוך כאשר הקול עובר דרך חומר דליל יותר מהירות הקול בו נמוכה יותר. ובמקרה קיצוני בריק הקול לא עובר בכלל. תופעות אלו מציגות כי מהירות הקול תלויה בתווך ובצפיפות החומר בו היא עוברת.

שאלת החקר

כיצד משפיעה ירידת לחץ האוויר בכלי אטום על עוצמת הקול הנשמע מחוץ לכלי

רקע עיוני

 המענה לשאלת החקר מורכב מהבנת שני תחומים עיקריים: לחץ האוויר וגלי הקול

גל קול הוא הפרעה מחזורית בצפיפות האוויר, המתקדמת במרחב או בתווך כגל אורכי ולמעשה הוא התפשטות של הפרעה מכנית בחומר. גל קול הוא אזורים של לחץ גבוה ולחץ נמוך של התווך המתקדמים במרחב. גלי קול נוצרים בשל עלייה בלחץ בנקודות מסוימות של חומר, הגורמים ל”אפקט הדומינו” המועבר הלאה. נקודות הלחץ הגבוה, ולפניהם, נקודות הלחץ הנמוך העוקבות אחרי נקודות עליית הלחץ.

כאשר אבן נזרקת אל שלולית היא יוצרת גלים. כך בדיוק פועל הקול. מקור הקול יוצר תנודות או לחץ אוויר משתנה. אותו לחץ אוויר מגיע אל האוזן שלנו ומזוהה כקול.

גלי קול ניתן ליצור על-ידי הרעדת בוכנה המצויה בקצה צינור אוויר. כתוצאה מרטט הבוכנה נוצרים אזורים שבהם צפיפות האוויר גדולה יותר מהממוצע (“דחיסות”), וביניהם אזורים שבהם צפיפות האוויר קטנה מהממוצע (“קלישות”). תדר רטט הבוכנה קובע את תדר גל הקול.

תדירות נקבעת על-פי מספר התנודות של גל קול בשנייה. תנודה אחת היא תנועה שלמה אחת הלוך ושוב. ככל שהתדירות גבוהה יותר הצליל הנשמע באוזנינו גבוה יותר. מספר התנודות הנוצרות ביחידת זמן הוא כמספר הרעידות של מקור הקול באותו פרק זמן.

הרץ – Hz – יחידת מידה לתדירות הקול. נקראת על שמו של הפיזיקאי היהודי היינריך הרץ (1857 – 1894 ) שהיה הראשון ששידר וקלט גלי רדיו

גל קול נקרא “גל אורכי” משום שהסטיות מצפיפות האוויר הממוצעת הן בכיוון התקדמות הגל. לעומת זאת, גל במים – המתואר על-ידי “שינויי” גובה פני המים ביחס למצב שבו פני המים חלקים – נקרא “גל רוחבי”, משום שהסטיות בגובה פני המים מאונכות לכיוון התקדמות הגל.

גלי קול אינם מוגבלים רק לאוויר או לגזים אחרים. הם יכולים לעבור גם בנוזלים ובמוצקים, והשינויים בצפיפות שגורם הגל נוצרים בתווך שבו הוא מתקדם. למשל, אם מצמידים את האוזן לקצה שולחן ארוך ומישהו דופק עליו בקצהו השני, ניתן לשמוע היטב את הדפיקות העוברות דרך השולחן.

ישנם קולות גבוהים (זמרת סופרן, ציוץ ציפורים, חריקות) וישנם קולות נמוכים (זמר בס, תופים, רעש מנוע). ככל שתדירות הקול גדולה יותר אנו אומרים כי הקול גבוה יותר וככל שתדירות הקול קטנה יותר אנו אומרים כי הקול נמוך יותר. תחום התדרים שאנו מסוגלים לשמעם נע בין ת 20 תנודות לשנייה   ( 20 הרץ )  לבין 20,000 תנודות לשנייה   ( 20 קילוהרץ).

תדירות מעל ל-20,000 Hz נקראות תדירויות על-קוליות. מתחת ל-20Hz  (ייתכן ונרגיש אותן כרעידות) נקראות תדירויות תת-קוליות.

ישנם  בעלי חיים יכולים לשמוע בתחומי תדר נוספים. ישנם בעלי חיים השומעים קולות בתדרים גבוהים יותר מאשר בני אדם, דוגמת כלבים השומעים תדרים של עד 60 קה”ץ (מותנה בגזע ובגיל הכלב). ועטלפים שומעים תדרים של עד 150 קה”ץ. ולעומתם לוויתן שומע תדרים מתחת לתחום האוזן האנושית.

דוגמה לגל בתדר מסוים ותדר גבוה ממנו פי 6

מאפיין נוסף של גל הקול הוא העוצמה שלו. יחידת המדידה של עוצמת הקול הינה דציבל. דציבל (באנגלית: Decibel) היא יחידת מידה חסרת ממדים המשמשת להשוואה בין שני משתנים פיזיקליים, לדוגמה רמות הספק. שם היחידה נגזר מהתחילית “דצי” (מ-decimus, בלטינית: עשירית) ו”בל”, על שם אלכסנדר גרהם בל. את הדציבל מסמנים באותיות dB. יחידת המידה הזו היא יחסית, והיא משווה שתי רמות הספק בסקאלה לוגריתמית לפי בסיס 100, כלומר, מודדת את הלוגריתם לפי בסיס 10 של היחס בין שני הספקים. גידול של בל אחד פירושו לפיכך גידול של פי 10 בהספק

באקוסטיקה מודדים את הלחץ בהשוואה ללחץ של 20 מיקרופסקל, שנחשב לסף השמיעה. ללחץ זה מקובל לקרוא “רמת לחץ הקול” (Sound Pressure level), ובראשי תיבות: SPL. עוצמת הקול הנמדדת ביחס ללחץ זה נמדדת ב-dB SPL, אך נהוג לכתוב רק “דציבל”. לפי הגדרה זו, לחץ דינמי של פסקל אחד הוא רמת קול של 94 דציבל.

טווח השמיעה של האדם הוא החל מ-0 דציבלים ועד ל-140 דציבלים (סף הכאב).

יצירת קול  

כשדיאפרגמת הסרעפת של תוף, גרון, רמקול וכדומה רוטטת, נוצר גל קול המתקדם באוויר. גל הקול מורכב מתנועות קטנות של מולקולות האוויר שמתנדנדות בתדירות שבה הרמקול רוטט. תנועה זאת דומה להתקדמות של גלים במיתר.

כשהדיאפרגמה של רמקול נעה החוצה, האוויר שלידה נדחס ויוצר נפח קטן של אויר בלחץ גבוה. הנפח הקטן הזה של האוויר בלחץ הגבוה יחסית דוחס את האוויר שעל ידו, שבתורו דוחס את האוויר שעל ידו, וכך הפרעה זו בלחץ מתקדמת מפני הרמקול. כשהדיאפרגמה של הרמקול נעה פנימה, נפח קטן של אויר בלחץ נמוך יחסית נוצר ליד הדיאפרגמה. גם הדילול הזה מתקדם מפני הרמקול החוצה.

בתנועה הגלית מועברת דרך חומר התווך המכה ולא חומר התווך עצמו. חומר התווך הנושא את הגל חוזר למצבו הראשוני לאחר שחולפת המכה. הדף או מכה מסוג זה מומחשים היטב כאשר הזגוגיות רועדות ולפעמים אף מתנפצות, בגלל מטוס העובר את מהירות הקול וגורם ל’בום’ על קולי, או כתוצאה מרעש חזק אחר. כדאי לזכור גם כי רוחות מנשבות בחזקה ומערבולות אוויר נקלטות על ידינו כקולות, ובו בזמן הן מעיפות דברים ואנו חשים בהדף שלהן. כאשר פוגעות תנודות אורכיות אלה באוזנינו הן מעוררות בנו את תחושת השמע.

לחץ גלי הקול 
במדידת חוזק גלי הקול, מודדים את רמת לחץ הקול (Sound Pressure Level) או SPL. לחץ כאן הוא גודל פיזיקאלי המבטא את מידת הכוח המופעל על יחידת שטח. רמת לחץ הקול (SPL) היא ההפרש בין הלחץ המקומי הממוצע של התווך (medium) (אוויר, במקרה שלנו) לבין שינויי הלחץ של גל הקול. בדרך כלל, רמת לחץ הקול נמדדת ביחידות לוגריתמיות של דציבל (עשירית בל) (decibel or dB). הנתון של מידת לחץ הקול הוא ביחידות dB SPL. ליחידות דציבל יש משמעות רק כאשר מדובר על יחס בין שני נתונים שונים. עוצמת גלי הקול הנקובה ביחידות דציבל מתייחסת לנתון ייחוס (reference)

התפשטות גלי הקול בתווך

גלי קול מתפשטים במרחב, דרך האוויר, דרך גזים אחרים, דרך נוזלים, או דרך עצמים מוצקים מסוימים. גלי קול אינם יכולים להתפשט בריק (ואקום).

מהירות ההתפשטות של הקול שונה בחומרים שונים. כל חומר מורכב מחלקיקים הנעים בלי הרף ומתנגשים זה בזה, וככל שצפיפות החלקיקים גדולה יותר, ההתנגשויות תכופות יותר. ההתנגשויות התכופות יותר משמעותן מהירות קול גדולה יותר . קול המתפשט בחומרים שונים ללא כל מכשול, מתפשט לכל הכיוונים בקווים ישרים.

במוצק האטומים לא נעים משום שהם צפופים ונוגעים אחד בשני ומוחזקים חזק ע”י כוחות בין מולקולריים. לכן האטומים במוצק יכולים להתנודד רק במקום קבוע. גלי קול ( שנוצרים ממקור מתנדנד) מועברים מידית ע”י חלקיקים שמתנודדים במקומם ע”י כך שהם פוגעים באטום השכן ששולח את ההפרעה מאטום אחד למשנהו בתוך המוצק (דבר זה דומה לתופעת הדומינו).

בגז (או אוויר, לצורך העניין), בגלל שהכוחות המשיכה בין החלקיקים זניחים, החלקיקים בגז מתנודדים ונעים בצורה חופשית ואקראית לכל עבר (מכיוון שחלקיקים באוויר נמצאים בכל מקום, אנו יכולים לשמוע קול מכל כיוון). מולקולות בגז צריכים לעבור מרחק רב בכדי להתנגש אחד בשני. גלי קול לא יכולים לעבור במהירות כאשר המולקולות לא במגע אחת עם השנייה. ולכן מכיוון שהחלקיקים רחוקים אחד מהשני, מהירות ההפרעה תהיה איטית יותר יחסית למוצק. התפשטות של גלי קול אינה אפשרית בריק.

מהירות הקול היא המהירות שבה נעים גלי הקול בתווך. מהירות הקול תלויה במקדם הקשיחות של חומר התווך ובצפיפות שלו. בתנאים מסוימים מושפעת מהירות הקול גם מהטמפרטורה והלחץ.

בדרך כלל, משתמשים במונח “מהירות הקול” כשמתכוונים למהירות הקול באוויר, שהיא 343 מטר לשנייה או 1234.8 קמ”ש, בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס באוויר יבש.

לחץ אוויר

לחץ האוויר הוא הכוח שיוצרת התנגשות של מספר רב של מולקולות אוויר על דפנות הכלי שבו הוא מוכל.

 את לחץ האוויר ניתן להגדיל (או להקטין) באחת משתי דרכים. ראשית, ניתן לגרוע או להוסיף מולקולות אוויר. מספר רב יותר של מולקולות האוויר במכל אטום (כדי שיהיה ניתן לבקר את הניסוי) יגדיל את מספר ההתנגשויות עם דפנות המכל ובכך יעלו את הלחץ. שנית, על ידי חימום או קירור של הכלי בו האוויר. חימום המכל יגרום לתנועה מוגברת של מולקולות האוויר ובכך חוזק “המכה” שהכלי סופג תגבר ולכן יעלה לחץ האוויר.

את ירידת לחץ האוויר ניתן למדוד בעזרת מד לחץ, יחידות המידה של לחץ האוויר הן בָּאר. באופן שרירותי נקבע כנקודת ייחוס לחץ האוויר בגובה פני הים כאחד באר. נהוג לקרוא את הערכים ביחידות של אלפית הבאר – מיליבאר. הערך הממוצע המדויק של לחץ-אוויר בגובה פני הים הוא 1013.25 מיליבאר.

לחץ אוויר בגובה של הר החרמון (2238מ)- 0.72 באר

 לחץ אוויר בגובה של הר המון בלאן (4808מ)- 0.56 באר

לחץ האוויר בהר באוורסט (8848מ)- 0.33 באר

 לחץ בחלל -0 באר

שאלת חקר:

כיצד משפיעה ירידת לחץ האוויר בכלי אטום על עוצמת הקול הנשמע מחוץ לכלי

השערתנו היא:

ככל שלחץ האוויר בתוך הכלי האטום יקטן כך תקטן עוצמת הקול הנשמע מחוץ לכלי.

זוהי השערתנו, מכיוון שכאשר אנו מוציאים את חלקיקי האוויר מן הצנצנת האטומה, אנחנו מקטינים את הכמות של חלקיקי האוויר המשתתפים ביצירת גלי הקול. לכן ההשפעה של מוקד גלי הקול בתוך כלי אטום ובלחצים הולכים ופוחתים , בהכרח ישפיע על עוצמת הקול שיוצא מן הכלי ואשר מגיע אל האוזן שמשתתפת בתהליך השמיעה. ככל שנקטין את הלחץ שמפעילים גלי הקול על האוזן כך עוצמת הקול שאנו שומעים תקטן.

תכנון הניסוי

מטרת הניסוי: לבדוק כיצד משפיעה ירידת לחץ האוויר על עוצמת הקול.

כלים וחומרים: מקדחה, דבק חם, T , צינור פלסטיק, מד קול בדציבלים( אפליקציה על גבי הטלפון ) ,מד ואקום, משאבת אוויר שמוציאה אוויר ( לקחנו משאבה רגילה והפכנו אותה למשאבת ואקום ) , צנצנת אטומה בעלת מכסה, אטב, טלפון להשמעת צליל בתוך הצנצנת, דבק חם

מהלך הניסוי:

1. לוקחים את המכסה של הצנצנת קודחים שני חורים אחד בגודל פיית הT והשני בגודל פיית המד ואקום

2. מחברים לT בצד אחד בשני צדדיו חלק מצינור הפלסטיק

3. מחברים את הT עם הצינורות לצנצנת ואוטמים עם דבק חם

4. מחברים את המד ואקום אל הצנצנת ואוטמים עם הדבק

5. מחברים את משאבת הואקום לצינור אחד המחובר אל הT

6. מכניסים אל הצנצנת טלפון

7. שמים ליד הצנצנת את מד הקול (טלפון עם אפליקצייה למד קול)

8. סוגרים את הצינור השני המחובר אל הT את האטב

9.מתחילים עם אוויר בלחץ 1 באר בצנצנת (לחץ סביבה רגיל)

10. מתקשרים אל הטלפון שנמצא בתוך הצנצנת

11. מודדים את התוצאה במד הדציבלים וכותבים אותה

12. חוזרים על התהליך מספר פעמים כך שבכל פעם מקטינים את לחץ האוויר ב 0.1 באר.

13. ביצענו את הניסוי עבור הערכים הבאים :  0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3

14.בחרנו לעצור את הניסוי ב 0.3 באר היות והמתקן שלנו והמשאבה שלנו הצליחו להגיע עד 0.3 באר

*את הניסוי מבצעים בחדר שקט על מנת לבודד את המשתנים (לחץ האוויר, והקול)

תוצאות הניסוי

*יחידות עוצמה של הקול בדציבלים

מסקנות:

ניתן להסיק מן התוצאות והניסוי שכאשר אנחנו מוציאים מספר גדול יותר של חלקיקי אוויר מתוך כלי אטום, ההשפעה של מוקד גלי הקול תהיה קטנה יותר. הסקנו זאת מכיוון שמדדנו שעוצמת הקול הולכת ופוחתת כאשר הוצאנו יותר ויותר אוויר מהצנצנת. עוצמת הקול היא פונקציה של כמות החלקיקים שמשתתפים בתהליך , כאשר יש פחות חלקיקים פחות חלקיקים משתתפים בתהליך העברת הקול ולפיכך עוצמת הקול תקטן.

רעיונות להמשך

1.ניתן לבצע את אותו ניסוי רק באופן הפוך. זאת אומרת במקום להקטין את הלחץ ניתן להפוך את הלחץ ללחץ חיובי ( להגביר אותו ) . השערתינו היא שככל שנעלה את לחץ האוויר עוצמת הקול תגדל.

2. ניתן לבדוק מה יקרה למים בתת לחץ. אנו משערים שהאוויר שהתמוסס בתוך המים יצא מתוכם ונקבל מים עם פחות גזים מומסים

3. ניתן לבדוק מה יקרה לבלון בתת לחץ (פי כמה גדל כאשר מכניסים אותו בגודל מסוים ומוציאים את האוויר מסביבתו , מקטינים את לחץ האוויר בסביבתו )

(שלחנו לך במייל את הסרטונים שמתעדים)

ביבליוגרפיה

1.  מטח- לחץ אוויר

http://www.school.kotar.co.il/KotarApp/Index/Page.aspx?nBookID=95056726&nTocEntryID=95060418&nPageID=95057587

2. NATIONAL WEATHER SERVICE- לחץ אוויר

http://www.srh.noaa.gov/jetstream/atmos/pressure.html

3.Gome- גלי קול

http://www.gomeh.com/audio_h/sound.html

4.the Physics Classroom- גלי הקול

http://www.physicsclassroom.com/Class/sound/u11l1c.html