مفاهیم کلیدی: آکوستیک، ارتعاش، امواج صوتی، شنوایی
مشاهده علمی ۲۰۰
مقدمه:
چه میزان با پرده‌ی گوش خود آشنایی دارید؟ احتمالاً می‌دانید که پرده‌ی گوش بخشی ضروری از ساختار گوش برای شنیدن صدای محیط است. اما چرا به آن پرده می‌گوییم؟ در واقع این نام بسیار دقیق و مطابق با ساختار واقعی و عملکرد پرده‌ی گوش است. برای درک نحوه‌ی کار پرده‌ی گوش، تصور کنید که با چوبک طبل به یک طبل ضربه وارد می‌کنید. بلافاصله پس از این کار طبل را لمس کنید، خواهید توانست ارتعاش در حال حرکت در طبل را حس کنید. پرده‌ی گوش نیز به همین ترتیب کار می‌کند. با این تفاوت که ارتعاش به وجود آمده در آن نه به دلیل وارد شدن ضربات چوبک، بلکه به علت برخورد امواج صوتی با آن است. امواج صوتی را نمی‌توان با چشم دید اما تأثیر ارتعاشی آنها بر اشیای اطراف ما و همچنین پرده‌ی گوش انسان قابل توجه هستند.
پیش‌زمینه:
آنچه که به عنوان صدا تجربه می‌کنیم در واقع یک موج مکانیکی تولید شده توسط لرزش ذرات هواست (یا هر ماده‌ی واسطه‌ای که در اطراف گوش قرار دارد، به خاطر داشته باشید که امواج صوتی درون آب نیز حرکت می‌کنند). برای درک این موضوع فرض کنید زیر آب دست‌هایتان را به هم می‌زنید. با حرکت دو دست به سمت هم آب در میان آنها جمع و فضایی در پشت دست‌ها ایجاد می‌شود که ذرات آب اطراف به سرعت آن را پر می‌کنند. هنگامی که دو دست شما به هم برخورد می‌کنند، ذرات آب میان آنها در هم فشرده می‌شوند.
نتیجه امواجی است که از دستان شما در آب ایجاد می‌شود. امواج صوتی به همین طریق در هوا حرکت می‌کنند. با زدن دو دست خود به هم، ذرات هوای میان و اطراف دستان شما حرکت می‌کنند. این موضوع سبب ایجاد یک موج فشاری می‌شود که در هوا حرکت می‌کند (همانطور که در آب نیز حرکت می‌کند). یک صوت پیوسته (مانند صدای تولید شده توسط دیاپازون) حاصل یک الگوی تکراری از فشردگی و جابه‌جایی ذرات هواست.
با رسیدن صوت به گوش انسان، صوت به پرده‌ی گوش برخورد می‌کند. پرده‌ی گوش غشای بسیار نازکی است که به عنوان یک مانع میان جهان بیرون و گوش داخلی شما عمل می‌کند. اگر چه پرده‌ی گوش از درون گوش محافظت می‌کند، هدف اصلی آن انتقال صداست. با برخورد صوت به پرده‌ی گوش، ارتعاش در آن ایجاد می‌شود (مانند اتفاقی که با زدن چوبک به طبل رخ می‌دهد). این ارتعاشات سپس از طریق سه استخوان بسیار کوچک که در درون گوش قرار دارند به محفظه‌ای پر از مایع به نام حلزون گوش منتقل می‌شوند. ارتعاشات درون حلزون گوش به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌شوند که مغز آنها را به عنوان صوت تفسیر می‌کند. نوع صدای دریافتی بسته به فرکانس موج متفاوت است.
در این فعالیت علمی شما ارتعاشات حاصل از امواج صوتی را هنگام عبور امواج از یک غشای مدل (درست مانند پرده‌ی گوش انسان) مشاهده خواهید کرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
کاغذ پوستی یا کاغذ مومی یک کش لاستیکی بزرگ که بتوانید آن را دور لبه‌ی یک کاسه‌ی شیشه‌ای قرار دهید. یک کاسه‌ی شیشه‌ای در ابعادی که بتوانید یک بلندگوی بلوتوثی را در کف آن بگذارید. شکر یا نمک (برای مشاهده‌ی بهتر نتایج می‌توانید شکر یا نمک را با رنگ خوراکی رنگ کنید.) یک بلندگوی بی‌سیم با اتصال بلوتوث یک گوشی تلفن همراه یا هر وسیله‌ی دیگر که بتوانید با بلوتوث به بلندگو وصل کنید. (در این فعالیت علمی باید یک صدای با تن واحد از بلندگو پخش کنید.)
آماده‌سازی:
بلندگو را در کف کاسه قرار دهید. دقت داشته باشید که بلندگو باید روشن و به گوشی تلفن همراه شما (یا هر وسیله‌ی دیگری که استفاده می‌کنید) متصل باشد.
روی کاسه را با یک کاغذ مومی بپوشانید.
سپس با کش لاستیکی کاغذ مومی را دور تا دور لبه‌ی کاسه محکم کنید تا کاغذ از جای خود تکان نخورد.
مقداری نمک یا شکر روی سطح کاغذ بپاشید. سعی کنید ذرات را به خوبی روی سطح پخش کنید تا توزیع آنها در همه جای کاغذ یکسان باشد.
روش کار:
برنامه‌ی پخش تن‌ها (tuner app) را در گوشی خود باز کنید. کار را با تن دارای کمترین فرکانس شروع کنید. صدای بلندگو را در کمترین حالت قرار دهید و تن را پخش کنید (دکمه‌ی play را فشار دهید).
در حین پخش شدن تن، ذرات نمک یا شکر روی سطح کاغذ را با دقت مشاهده کنید. آیا متوجه تغییراتی در گرانول‌ها می‌شوید؟
رفته رفته صدای پخش تن را بلندتر کنید. پس از هر مرتبه بلند کردن صدا، تغییرات حاصل در نمک یا شکر را بررسی کنید. با ادامه‌ی این کار چه اتفاقی برای گرانول‌های نمک یا شکر رخ می‌دهد؟
صدا را به تدریج بلندتر کنید و تغییرات ایجاد شده در شکر یا نمک روی سطح کاغذ را بررسی کنید. (نکته: دقت داشته باشید که صدای بلندگو نباید از حد معمول بیشتر شود. اگر صدای بلندگو به حدی آزاردهنده بالا رفته است و همچنان تغییری در ذرات مشاهده نمی‌کنید، آزمایش تکمیلی اول را مطالعه کنید.) بلند کردن صدا چه تأثیری بر شکر یا نمک دارد؟ به نظر شما منشأ این تغییر چیست؟
هنگامی که تأثیری ایجاد شده بر نمک یا شکر مشاهده می‌کنید، تن در حال پخش را متوقف و مجدداً آن را پخش کنید. با قطع شدن تن چه اتفاقی برای گرانول‌ها می‌افتد؟ با پخش مجدد تن چه مشاهده می‌کنید؟ به نظر شما چرا این تن چنین تأثیری بر گرانول‌ها دارد؟ آیا الگویی خاص برای رفتار گرانول‌ها در حین پخش تن وجود دارد؟
پخش تن را متوقف کنید و گرانول‌ها را به طور یکسان روی سطح کاغذ توزیع کنید.
صدای پخش تن را به کمترین حالت برگردانید و فرکانس تن در حال پخش را به بالاترین حد ممکن تغییر دهید.
این فعالیت را تکرار کنید و صدای پخش تن جدید را نیز به تدریج افزایش دهید. این تن با قبلی چه فرقی دارد؟ تأثیر این تن بر گرانول‌ها چیست؟ آیا این تأثیر نسبت به تأثیر تن قبلی متفاوت است؟ در این صورت فکر می‌کنید چه چیزی باعث این تغییر شده است؟
آزمایش‌های تکمیلی:
این فعالیت را با تن‌های مختلف انجام دهید. سعی کنید طیف بررسی‌تان گسترده باشد.
این فعالیت را بار دیگر با جایگزینی کاسه‌ی شیشه‌ای با ظروف دیگر مانند گلدان، کاسه‌ی فلزی و یا کاسه‌ی چوبی انجام دهید. ظروف با عمق و ابعاد مختلف را در این مرحله مورد بررسی قرار دهید.
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا پخش شدن تن از بلندگو سبب حرکت گرانول‌های شکر یا نمک روی کاغذ مومی می‌شود؟
با عبور موج صوتی از کاغذ مومی، کاغذ به ارتعاش درمی‌آید. با افزایش صدای تن در حال پخش، در واقع شما به این موج صوتی انرژی بیشتری می‌دهید و ارتعاشات حاصل از عبور آن از کاغذ بیشتر می‌شود. در نهایت این ارتعاشات به قدری شدید می‌شوند که می‌توانند شکر یا نمک را روی صفحه به حرکت دربیاورند.
همچنین ممکن است متوجه شده باشید که بسته به فرکانس تن، گرانول‌ها در الگوهای مختلف به حرکت درمی‌آیند. با تغییر فرکانس تن، ارتعاش کاغذ مومی نیز عوض می‌شود و الگوی حرکت ذرات نمک یا شکر روی آن در هر حالت متفاوت است.
منبع:
Scientific American
منابع مفید:
تاثیر طراحی گوش بر شنوایی
آزمایش شنوایی در خانه
تاثیر موسیقی بر موجودات زنده
گردگیری با صدا
طبل بسازید
نواختن موسیقی با بطری
امواج و گوش
نت‌های موسیقی و نی
تقلید صدای زنبور
دیاپازون - ویکی پدیا
پرده صماغ - ویکی پدیا
صوت شناسی - ویکی پدیا