آن‌چه با عنوان «چكيده» در اول مسابقه‌ها و زنگ‌تفريح‌ها مشاهده مي‌كنيد صرفاً مخصوص معلمان، مربيان، كارشناسان محترم آموزشي و ساير علاقه‌مندان است.

 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي – دانش
    - «دانش امور جزوي» > «دانش اصطلاح‌ها»
    - «دانش امور جزوي» > «دانش واقعيت‌هاي مشخص»
    - «دانش امور كلي و مسائل انتزاعي» > «دانش اصل‌‌ها و تعميم‌ها»
    

 اهداف آموزشي در حوزه‌ي شناختي - توانايي‌ها و مهارت‌هاي ذهني
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تفسير»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «برون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «درون‌يابي»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «كاربستن»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل» > «تحليل عناصر»
    - «فهميدن» > «ترجمه» > «تحليل» > «تحليل روابط»

 نتايج مورد نظر 
    - آشنايي با 

 محتواي آموزشي
    - مكانيك > توصيف برداري مكان و سرعت يك جرم
    - ترموديناميك و فيزيك مولكولي > فشار و انرژي جنبشي مولكولي
    - نوسان و امواج > تداخل و برهم‌نهي

اين ايده كه جسمي حتي بسيار هم سبُك بتوان با صدا بلند كرد غيرممكن به‌نظر مي‌رسد ولي پديده‌اي‌ است واقعي. «تعليق صوتي» به‌خاطر وي‍‍ژگي جالب صوت مي‌تواند اجسام جامد، مايع و گازهاي سنگين را شناور كند. اين فرايند هم در حضور گرانش عادي زمين، هم در مناطقي كه گرانش كاهش يافته اتفاق مي‌افتد. به‌عبارت ديگر صوت مي‌تواند اجسام را از زمين يا در فضا كپسول‌هاي پُر از گاز را معلق نگه دارد.

«گرانش» (Gravity) نيرويي است كه باعث مي‌شود اجسام به يكديگر جذب شوند. راحت‌ترين راه براي درك «گرانش» قانون دوم نيوتن يعني گرانش در عالم است. اين قانون برآن است كه هر ذره‌اي در عالم ذره‌هاي ديگر را به‌سمت خود جذب مي‌كند. اجسام سنگين‌تر با قدرت و شدت بيش‌تري ديگر اجسام را جذب مي‌كنند. هر قدر اجسام به‌هم نزديك‌تر باشند،‌ نيز قوي‌تر همديگر را جذب مي‌كنند. يك جسم بسيار بزرگ مانند زمين به‌‌راحتي اجسامي را كه به آن خيلي نزديك هستند، جذب مي‌كند (مثل سيبي كه به درختي آويزان است). دانشمندان هنوز نمي‌دانند علت «جاذبه» (Absorption)‌ چيست؟ ولي براين باورند كه در همه‌ جاي عالم وجود دارد.

البته اين مسأله بيش‌تر در «فيزيك نيوتني» صدق مي‌كند. در «نسبيت عام» علت را ميدان‌هايي مي‌دانيم كه هر چگالي ذره مثل: سياره‌ها، ستارگان و غيره خمش‌هايي را در فضا - زمان ايجاد مي‌كند و «پادگرانش» (Antigravity) را كه هم‌چنان تعدادي از فيزيكدانان به‌دنبال آن هستند تا بالاخره ببينيم آيا «گرانش» فقط «جاذبه» است يا «دافعه» نيز دارد. فعلا به اين موضوع نمي‌پردازيم.

«هوا» سيالي است كه اساساً مانند مايعات عمل مي‌كند. درست مانند مايعات از ذره‌هاي ميكروسكوپي تشكيل شده كه در تماس با ديگر ذره‌ها از يكي به ديگري در حركت است. با آزمايش‌هاي «آيروديناميكي» - كه زير آب انجام مي‌شود - به اين نتيجه مي‌رسيم كه هوا هم مانند آب رفتار مي‌كند. منتهي ذره‌ها در گازها از هم‌ فاصله‌ي بيش‌تري داشته و در نتيجه بسيار راحت‌تر از ذره‌ها در مايعات حركت مي‌كنند.

و بالاخره صدا ارتعاشي است كه در محيطي مثل گاز، مايع يا جامد مسيري را طي مي‌كند. يك «منبع صوتي» جسمي است كه به سرعت تغيير شكل داده و حركت مي‌كند. مثلاً اگر شما زنگي را به‌صدا در ‌آوريد، زنگ در هوا شروع به ارتعاش مي‌كند. وقتي يك طرف زنگ به‌سمتي حركت مي‌كند،‌ مولكو‌ل‌هاي هواي مجاور را نيز با افزايش فشار در آن منطقه در همان جهت هُل مي‌دهد. اين منطقه با فشار بيش‌تر را «متراكم» (Compression) مي‌ناميم. وقتي طرف ديگر در واقع از جاي خود كشيده مي‌شود، منطقه‌ي كم‌فشاري به‌وجود مي‌آيد كه «ترقيق» (Rarefaction) (رقيق شدن هوا و افزايش سرعت) ناميده مي‌شود، در اين حالت مولكول‌ها از هم فاصله مي‌گيرند. هنگامي كه زنگ بارها و بارها حركت خود را تكرار مي‌كند، تراكم‌ها و ترقيق‌هاي معادل با اين نوسان به‌وجود مي‌آيد. هر تكرار يك طول موج از نوع «موج صوتي» است!

«موج صوتي» با حركت مولكول‌ها به پس و پيش و هُل دادن و كشيدن مولكول‌هاي ديگر طي مسير مي‌كند. هر مولكول، مولكول بعدي را نيز به حركت وامي‌دارد. بدون اين حركت مولكول‌ها صوت نمي‌تواند مسيري را بپيمايد. به‌همين دليل است كه در خلأ صوت منشر نمي‌شود (انيميشن 1).

«تعليق صوتي» از حركت صوت در سيالي مثل گاز استفاده كرده و با «گرانش»، تعادلي را برقرار مي‌كند. بر روي زمين اين پديده باعث مي‌شود كه اجسام و مواد بدون هيچ بستگي به نيرو يا محيطي خاص در هوا شناور بمانند. در فضا همين پديده مي‌تواند باعث شناوري بدون حركت باشد.

اين پديده به عواملي از جمله ويژگي‌هاي موج صوتي به‌خصوص «شدت موج» بستگي دارد. در بخش بعدي به اين موضوع مي‌پردازيم.

نخست اين‌كه، موج مانند تمام گستره‌ي صوتي، «موج فشار طولي» (Langthituial Pressure Wave) است. در «موج طولي» حركت نقاط موج، موازي با راستاي حركت موج است. اين نوعي از حركت است كه اگر شما انتهاي يك كش را سريع بكشيد و هُل دهيد، آن را مشاهده مي‌كنيد. اكثر تصاوير، صوت را مانند يك موج وارونه نشان مي‌دهند كه شما در حركت تند رفت و برگشتي نيز آن را مشاهده مي‌كنيد. علت ساده است: امواج «وارونه» (Transverse) را راحت‌تر از «طولي» مي‌توان نمايش داد.

دوم اين‌كه اين موج مي‌تواند مقيد به سطح شود. در اين‌جا موج از قانون بازتابش در زواياي برابر فرودي و بازتابي تبعيت مي‌كند. به‌عبارت ديگر يك موج صوتي تحت همان زاويه كه با سطح برخورد مي‌كند بازتابيده مي‌شود. موج صوتي كه با زاويه‌ي 90 درجه با سطح برخورد مي‌كند، تحت همان زاويه و در همان امتداد بازتابيده مي‌شود. راحت‌ترين راه براي درك بازتابش امواج، ريسماني است كه يك انتهاي آن به سطحي بسته شده است. اگر انتهاي آزاد آن را گرفته و به‌سرعت به‌سمت بالا و پايين حركت دهيد، موج در راستاي طولي، مسير خود را طي مي‌كند. وقتي موج به انتهاي «بسته» (Closed) مي‌رسد بازتابيده شده و به‌سمت عقب برمي‌گردد. همين اتفاق براي يك فنر هم مي‌افتد.

بالاخره وقتي موج صوتي از سطح بازتابيده مي‌شود، كنش بين «تراكم» و «ترقيق» باعث تداخل مي‌گردد. اگر دو تراكم به‌هم برسند، يكديگر را تقويت مي‌كنند و اگر «تراكم» و «ترقيق» به‌هم برسند،‌ همديگر را خنثي مي‌كنند. گاهي بازتاب و تداخل با هم تركيب شده و «موج ايستاده» (Standing Wave) توليد مي‌كنند. «امواج ايستاده» در حين حركت از نقطه‌اي به نقطه‌ي ديگر به‌نظر مي‌رسد كه به‌سمت جلو و عقب حركت مي‌كنند يا ارتعاش جزوي دارند. اين تصوير از ايستايي در واقع نمايش «امواج ايستاده» است.

امواج ثابت ايستاده، «گره»‌ها (Nodes) يا همان مناطق با حداقل فشار و «شكم‌»ها (Antinode) يا مناطق حداكثر فشار را ايجاد مي‌كنند. گره‌هاي «امواج ايستاده» در قلب «تعليق صوتي» قرار دارند. رودخانه‌اي را با صخره‌هايي در نظر بگيريد. آب در بخش‌هايي آرام و در ديگر نقاط متلاطم است. قلوه‌سنگ‌هاي شناور و كف در بخش‌هاي آرام جمع مي‌شود. با توجه به وجود اجسام شناور در بخش متلاطم رودخانه، نياز به مهار يا هدايت كردن «شار» آب است. اين اساساً اتفاقي است كه در «تعليق صوتي» مي‌افتد. در اين‌جا صوت به‌جاي آب در گاز حركت مي‌كند.
 

شكل 2 - در «تعليق صوتي» از فشار صوت براي شناور نگه‌داشتن اجسام استفاده مي‌شود.

در فضا - كه «گرانش» مقداري جزوي دارد - ذره‌هاي شناور در گره‌هاي امواج ايستاده جمع مي‌شوند. در اين‌جا فشار «تابش صوتي» (Acoustic Radiation) (مقدار فشاري كه موج صوتي مي‌تواند به يك سطح وارد كند) با «كشش گرانشي» در تعادل خواهد بود.

اين مقدار بايد بيش از توان موج صوتي باشد تا چنين فشاري را تحمل كند.

ولي اين نوع موارد در مقابل «تعليق صوتي» بسيار ضعيف‌تر هستند؛ آن‌قدر ضعيف كه نمي‌توانند ذره‌هاي غبار را از يك سطح مثل عينك بلند كنند. امواج صوتي معمولي محدود به «طبيعت خطي» خود هستند.

شدت امواج صوتي معمولي مذكور با افزايش «دامنه»، بلندتر شده ولي هم‌چنان «شكل موج» تغيير نمي‌كند يا از نظر فيزيكي باعث تقويت نمي‌شود. با اين حال صداهاي شديدي هستند! مانند صداهايي كه باعث سردرد و گوش‌درد مي‌شوند. اين نوع صداها «غيرخطي» هستند. آن‌ها علت رفتارهاي محسوس در موادي هستند كه بين راه‌شان قرار مي‌گيرد. برخي از اثرهاي غيرخطي بودن موج شامل موارد ذيل است:

صوت غيرخطي ميدان مختلطي بوده و پديده‌ي فيزيكي كه اين اثرها را سبب مي‌شود، كمي پيچيده است. به‌طور كلي اثرهاي غيرخطي را مي‌توان براي توليد موجي قوي‌تر تركيب كرد. به واسطه‌ي فشار تابش صوتي، موج آن‌قدر قوي شده كه با «گرانش» تعادل برقرار كند. صوت شديد همان پديده‌ي مورد نياز «تعليق صوتي» است (مولدها در اكثر سيستم‌هاي تعليق صوتي برابر با 150 دسي‌بل توليد مي‌كنند). نمونه‌ي معمول يك موج صوتي 60 دسي‌بل و در جاهايي كه صداي زيادي توليد مي‌شود، 110 دسي‌بل است.

معلق كردن اجسام به‌وسيله‌ي صوت به‌سادگي نشانه‌روي با انرژي بالا در يك بازتابنده نيست. دانشمندان بايد از صوت با «فركانس تصحيح» (Correction Frequency) براي خلق موج مطلوب استفاده كنند. هر فركانسي مي‌تواند اثرهاي غيرخطي توليد كند ولي اكثر سيستم‌ها از امواج فراصوتي استفاده مي‌نمايند كه براي گوش بسيار گام‌هاي بلندي دارد. باتوجه به فركانس و حجم موج محققان بايد به ارقام ذيل دقت كنند:

    در محيط «ميكروگرانش» (Microgravity) مانند لايه‌هاي بالاي جو،‌ مناطقي ثابت در گره‌ها وجود دارد كه بايد به اندازه‌ي كافي بزرگ باشد تا باعث شناوري شود. بر روي زمين مناطق فشار بالا دقيقا‌ً زير «گره»، بايد به‌اندازه‌ي كافي بلند باشد. به‌همين دليل جرمي كه مي‌خواهيم شناور بماند بايد بين طول موج يك‌سوم تا نصف صوت باشد. اجسام بزرگ‌تر از دوسوم طول موج صوت براي شناوري بسيار بزرگ است. ميدان آن‌قدر بزرگ نيست كه بتواند آن را شناور نگه‌دارد. فركانس‌هاي بالاتر صوت، براي اجسامي با قطر كوچك‌تر از آن طول موج نيز شناور نمي‌مانند.

    اجسامي كه اندازه‌ي مناسبي دارند جرم مناسبي هم بايد داشته باشند. به‌عبارت ديگر دانشمندان بايد «چگالي» جرم را اندازه گرفته و فشار صوتي لازم را براي غلبه بر گرانش بسنجند.

    قطره‌هاي مايع معلق بايد «عدد باند» (Bond Number) مناسب داشته باشند كه در واقع نسبتي است كه «كشش سطحي» مايع، «چگالي» و «اندازه» در محيط گرانشي و سيال اطراف را توصيف مي‌كند. اگر اين عدد بسيار كوچك باشد قطره از هم مي‌پاشد.

    «شدت صوت» نبايد بر «كشش سطحي» قطره‌هاي مايع غلبه كند. اگر «ميدان صوتي» بسيار قوي باشد، قطره بيضيِ تخت شده و از هم مي‌پاشد.

    ساختن ابزارهاي الكترونيكي و ميكروچيپي كه در روبات‌ها يا ماشين‌هاي پيچيده‌ استفاده مي‌شوند. اين سيستم را براي دستكاري صوتي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. براي مثال مواد مذاب معلق به‌تدريج سرد و سخت مي‌شوند و «ميدان‌هاي قوي صوتي» اجرامي كه جامد مي‌شوند، كروي خواهند شد. به‌طور مشابه يك «ميدان» مي‌تواند به پلاستيك نيرو وارد كرده تا ماده‌ي مذاب در محلي كه لازم است روي ميكروچيپ نشسته و سخت شود.

    برخي مواد يا زنگ مي‌زنند يا با «مواد كانتينر» (Container) معمولي در تجزيه‌ي شيميايي به‌كار مي‌روند. محققان مي‌توانند اين مواد را در «ميدان صوتي» معلق كنند تا بدون خطر آلودگي يا خرابي در «مواد كانتينر» بررسي كنند.

    بررسي فيزيك سطح مانع بزرگي به‌نام «گرانش» دارد. گرانش، مايع را به‌‌سمت پايين حباب مي‌كشد و باعث خشك شدن و از بين رفتن آن مي‌شود. محققان سطح يا حباب را مي‌توانند با استقاده از ميدان صوتي در فضا بدون حضور گرانش بررسي كنند. اين باعث درك بهتر عملكرد حباب در تميز كردن آب اقيانوس‌ها دارند.

تحقيق و يافتن كاربردهاي جديد هم‌چنان ادامه دارد.