مفاهیم کلیدی: صوت، آژیر، فیزیک
مشاهده علمی ۱۸۴
مقدمه:
احتمالاً هر روز صدای آژیرهای مختلفی را می‌شنوید، آمبولانس، ماشین آتش‌نشانی و ... . صدای آژیر این وسایل بسیار بلند و تأثیرگذار در باز کردن راه در خیابان‌هاست. آیا تا به حال فکر کرده‌اید که این صداهای بسیار بلند چگونه تولید می‌شوند؟ با انجام فعالیت علمی زیر یک آژیر ساده بسازید تا پاسخ این سوال را بیابید.
پیش‌زمینه:
برای درک نحوه‌ی کار آژیرها ابتدا باید نگاهی به مفاهیم فیزیک صوت بیندازیم. صوت اساساً فقط حرکت هواست. با حرکت یا جابه‌جایی ذرات هوا یک موج صوتی تولید می‌شود که متشکل از الگویی تکراری از مناطق فشار بالا و فشار پایین است که در قالب یک موج فشاری در هوا حرکت می‌کند. ذرات هوا در یک حرکت رفت و برگشتی مرتعش می‌شوند و سرعت این ارتعاش فرکانس نام دارد.
ساده‌ترین نوع آژیر یک دستگاه مکانیکی است که جریان هوا را به سمت یک دیسک چرخنده‌ی سوراخ دار هل می‌دهد. با چرخش دیسک، جریان هوا به طور متناوب قطع و وصل می‌شود. نوساناتی که در اثر این اتفاق در فشار هوا رخ می‌دهد یک سری امواج فشاری ایجاد می‌کند که ما آن را به صورت صدا می‌شنویم. تعداد سوراخ‌های موجود در دیسک فرکانس این صدا را تعیین می‌کند. سرعت چرخش دیسک نیز بر تُن صدا تأثیر می‌گذارد (صدای خاص آژیر). شما می‌توانید فرکانس تقریبی را با ضرب تعداد چرخش‌های دیسک در ثانیه در تعداد سوراخ‌های دیسک به دست بیاورید.
امروزه آژیرهای الکترونیکی به مرور جایگزین آژیرهای مکانیکی می‌شوند، با این حال هنوز بسیاری از آژیرهای ماشین‌های آتش نشانی بر همین مبنا (دیسک) کار می‌کنند. در این طراحی یک موتور الکتریکی یک فن را به حرکت درمی‌آورد که داخل یک درام شکاف دار می‌چرخد. فن هوا را از جلو می‌کشد و از اطراف خارج می‌کند. هنگامی که دهانه‌ی فن با شکاف‌های درام هم راستا می شود، یک انفجار هوا رخ می‌دهد. مشابه با دیسک سوراخ دار فن اساساً جریان هوا را به انفجارهای هوای جداگانه تقسیم می‌کند و فرکانس آنها صدای تولیدی را تعیین می‌کند.
اطلاعات بسیار زیادی در این باره کسب کردیم. اکنون زمان ساخت دیسک سوراخ دار خودمان رسیده است!
مواد و وسایل مورد نیاز:
نقاله
مقوای محکم
نوار چسب فومی دو طرفه
قیچی
مداد
پرگار
پانچ (سوراخ کن)
پیچ گوشتی برقی بی سیم با رابط کوچک شش ضلعی (برای استفاده از این وسیله حتماً به کمک یک بزرگتر نیاز دارید.)
نی آشامیدنی
گیره‌ی کاغذ یا سوزن
حوله کاغذی سبک
یک بزرگسال برای کمک
آماده سازی:
با پرگار دایره‌ای به شعاع هشت سانتیمتر بر روی مقوا رسم کنید. در همین دایره دو دایره‌ی کوچکتر با شعاع‌های هفت و شش سانتیمتری رسم کنید.
بزرگترین دایره را ببرید.
با استفاده از نقاله خط‌هایی با فاصله‌ی زاویه‌ای ۱۵ درجه از هم رسم کنید که از مرکز دایره بگذرند.
با پانچ روی هر تقاطع خطوط صاف با محیط دایره‌ی با شعاع هفت سانتیمتر یک سوراخ ایجاد کنید.
روی محیط دایره با شعاع شش سانتیمتری سوراخ‌هایی یکی در میان در تقاطع خطوط صاف با محیط دایره ایجاد کنید.
اکنون دیسکی با دو حلقه‌ی متحد المرکز از سوراخ‌هایی دارید که تعدادشان روی حلقه‌ی بزرگتر دو برابر حلقه‌ی کوچکتر است.
یک تکه‌ی کوچک از نوار چسب فومی دو طرفه ببرید و آن را به مرکز مقوای سوراخ دار بچسبانید.
حال با یک گیره‌ی کاغذ یا سوزن سوراخی کوچک در وسط دایره و نوار فوم ایجاد کنید.
یک رابط شش ضلعی در پیچ گوشتی بی سیم خود قرار دهید.
دیسک مقوایی سوراخ دار را بردارید و رابط شش ضلعی را در سوراخ مرکز دایره‌ی مقوایی فرو کنید تا نوار چسب فومی در مقابل پیچ گوشتی برقی قرار بگیرد. حال با چسب فومی مقوا را به پیچ گوشتی بی سیم بچسبانید تا تکان نخورد.
پیچ گوشتی را روی بالاترین سرعت چرخش تنظیم کنید.
روش کار:
نی را جلوی دهان خود بگیرید و دست دیگرتان را نیز در انتهای آن نگه دارید و در نی بدمید. آیا می‌توانید جریان هوای خارج شده از نی را حس کنید؟ با دقت گوش دهید، آیا هوای خارج شده صدا دارد؟
از بزرگتر خود بخواهید پیچ گوشتی برقی بی سیم با دیسک متصل به آن را نگه دارد. هنگامی که کسی غیر از شما در نزدیکی دستگاه است آن را روشن نکنید. حال از بزرگترتان بخواهید دستگاه را روی بالاترین سرعت چرخش روشن کند. آیا صدایی از دیسک تولید می‌شود؟ آیا صدایی غیر از صدای پیچ گوشتی می‌شنوید؟
در مرحله‌ی بعد از بزرگتر خود درخواست کنید بار دیگر پیچ گوشتی برقی را با بالاترین سرعت چرخش روشن کند. دقت داشته باشید که سرعت چرخش دیسک باید ثابت باقی بماند. در حالی که دیسک می‌چرخد، نی را به طور عمودی در فاصله‌ی یک تا دو سانتیمتر از حلقه‌ی بیرونی سوراخ‌ها نگه دارید و در آن بدمید. دقت داشته باشید که نی نباید با دیسک تماس پیدا کند. این بار چه اتفاقی می‌افتد؟ با دقت گوش دهید. آیا صدای خاصی می‌شنوید؟
در حالی که دیسک با همان سرعت می‌چرخد، نی را در مقابل دایره‌ی داخلی سوراخ‌های دیسک بگیرید و در نی بدمید. این بار نیز صدایی می‌شنوید؟ این صدا با صدای تولید شده در مرحله‌ی قبل چه تفاوتی دارد؟ به نظرتان دلیل تغییر صدا چیست؟
پیچ گوشتی برقی را خاموش کنید تا دیسک از چرخش بایستد. از بزرگتر خود بخواهید دیسک را مجدداً آرام به چرخش دربیاورد اما این بار به سرعت چرخش دیسک دقت کنید. آیا سرعت چرخش همیشه ثابت است؟ آیا می‌توانید دیسک را با سرعت‌های مختلف بچرخانید؟
پس از درک چگونگی ایجاد سرعت‌های چرخش مختلف، مجدداً نی را مقابل حلقه‌ی بیرونی سوراخ‌های دیسک نگه دارید. در هنگام دمیدن داخل نی، سرعت چرخش پیچ گوشتی برقی را تغییر دهید تا دیسک با سرعت‌های مختلف بچرخد. با تغییر سرعت صدا چگونه عوض می‌شود؟ صدای تولید شده در سرعت چرخش بالا چه تفاوتی با صدای ایجاد شده در سرعت چرخش پایین دارد؟ آیا می‌توانید دلیل این مشاهدات را توضیح دهید؟
در انتها سعی کنید با دمیدن در دو حلقه‌ی سوراخ‌ها در سرعت‌های چرخش متفاوت صدایی مشابه با آژیر وسایل نقلیه ایجاد کنید.
آزمایش‌های تکمیلی:
دیسک‌هایی با الگوی سوراخ‌های متفاوت درست کنید و به صدای تولید شده توسط آنها گوش کنید. اگر سوراخ‌ها با فاصله‌ی یکسان از هم قرار نداشته باشند چه اتفاقی می‌افتد؟ اگر یک سری سوراخ به همراه یک فاصله بعد از آنها ایجاد کنید چه صدایی تولید می‌شود؟
از بزرگترتان بخواهید یک کاغذ سبک مانند حوله‌ی کاغذی را نزدیک به دیسک چرخان (میان بدن خود و دیسک) نگه دارد و در همین حین در نی بدمید. کاغذ را به دقت نگاه کنید. چه اتفاقی برای آن می‌افتد؟ آیا کاغذ حرکت می‌کند؟ الگوی حرکت آن چگونه است؟ (در این مرحله بهتر است دیسک را با سرعت کم بچرخانید.)
مشاهده و نتیجه‌گیری:
آیا توانستید با این وسیله صدای آژیر تولید کنید؟ دمیدن در نی به تنهایی ایجاد صدای آژیر نمی‌کند، زیرا با این کار تنها جریان هوا ایجاد می‌شود و موج فشار به وجود نمی‌آید. همچنین، اگر تنها دیسک را به وسیله‌ی پیچ گوشتی بی سیم بچرخانید، تنها صدای قابل شنیده صدای کار دستگاه است. با این وجود اگر جریان هوا به دیسک در حال چرخش برخورد کند، صدایی قابل شنیدن تولید می‌شود. دلیل آن است که هوای دمیده شده از نی به طور متناوب از سوراخ‌ها رد می‌شود و با چرخیدن دیسک جریان هوا قطع می‌شود. اگر آزمایش تکمیلی با کاغذ را انجام داده باشید احتمالاً الگوی موج تولید شده توسط این جریان هوا را مشاهده کرده‌اید. بسته به داخل شدن یا نشدن هوا به دیسک، کاغذ به عقب و جلو حرکت می‌کند. هر کدام از این به اصطلاح انفجارهای هوا به مانند یک موج صوتی عمل می‌کنند و تعداد زیادی از آنها تولید یک صدای مداوم می‌کند.
با دمیدن هوا در سوراخ‌های حلقه‌ی داخلی تن صدا کم می‌شود. به طور خاص، تن یک اکتاو پایین‌تر از تن تولید شده توسط حلقه‌ی سوراخ‌های خارجی است. بدین معنا که هر کدام از حلقه‌های سوراخ صدایی با نصف یا دو برابر فرکانس تولید می‌کنند. دلیل این اتفاق تعداد سوراخ‌های حلقه است. با افزایش تعداد سوراخ‌ها، تعداد پاف‌های هوا بیشتر و به دنبال آن فرکانس موج صوتی زیادتر می‌شود. هر چه فرکانس بیشتر باشد تن بالاتر است. در نتیجه اگر تعداد سوراخ‌ها نصف شود، فرکانس صدای تولیدی نیز نصف می‌شود. در نهایت اگر در هنگام دمیدن هوا به دیسک، سرعت چرخش آن را تغییر دهید نیز صدای تولیدی عوض می‌شود. هر چه سرعت چرخش دیسک بالاتر رود، فرکانس پاف‌های هوا بیشتر می‌شود و تن صدا بالا می‌رود. با تغییر نوسانی سرعت چرخش دیسک از کم به زیاد می‌توانید صدایی آژیر مانند تولید کنید. هر الگوی سوراخ روی دیسک نیز صدایی خاص و منحصر به فرد تولید می‌کند.
تمیز کردن:
می‌توانید دیسک‌های مقوایی را در سطل بازیافت بیندازید.
منبع:
منابع مفید: