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.

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).

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)

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

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

תוצאות הניסוי

*יחידות עוצמה של הקול בדציבלים

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 )

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