هل سبق لك أن تساءلت، لماذا لا نستطيع أن نسمع جيدًا تحت الماء كما نفعل على الأرض؟ هذا السؤال غالباً ما يحير الكثير منا، وخاصة أولئك الذين يستمتعون بالسباحة أو الغوص.
ثمة فكرة خاطئة شائعة مفادها أن الصوت لا ينتقل تحت الماء. لكن هذا أبعد ما يكون عن الحقيقة. في الواقع، يمكن للصوت أن ينتقل تحت الماء، لكن الطريقة التي ندركه بها تختلف اختلافاً كبيراً عما نفعله على الأرض. دعونا نتعمق أكثر في هذا الموضوع الرائع.
علم الصوت
ما هو الصوت؟
الصوت هو نوع من الطاقة الناتجة عن الاهتزازات “vibrations”. عندما يهتز أي جسم، فإنه يسبب حركة في جزيئات الهواء “air particles”. تصطدم هذه الجسيمات بالجزيئات القريبة منها، مما يجعلها تهتز أيضًا الأمر الذي يؤدي إلى اصطدامها بمزيد من جزيئات الهواء. وتستمر هذه الحركة، التي تسمى الموجات الصوتية “sound waves”، حتى تنفد طاقتها. إذا كانت أذنيك ضمن نطاق الاهتزازات، فستسمع الصوت.
الوسط اللازم لنقل الصوت
يحتاج الصوت إلى وسط للانتقال عبره. يمكن أن يكون الوسط أيَّ سلسلة من الجسيمات المترابطة والمتفاعلة. وهذا يشمل الهواء والماء والمواد الصلبة مثل المعدن أو الخشب. عندما يهتز جسم ما في وسط ما، فإن جزيئات الوسط هي التي يتم إزاحتها وتنقل الاضطراب من المصدر إلى آذاننا.
سرعة الصوت في الوسائط المختلفة
تعتمد سرعة الصوت “Speed of Sound” على نوع الوسط الذي ينتقل خلاله. ليس الأمر نفسه في جميع المواد! إذ ينتقل الصوت بشكل أسرع في الوسائط ذات المرونة أو القصور الذاتي الأعلى. على سبيل المثال، ينتقل الصوت في الماء بشكل أسرع منه في الهواء.
أيضاً في الهواء عند درجة حرارة الغرفة، تبلغ سرعة الصوت حوالي 343 متراً في الثانية. وعلى النقيض من ذلك، تبلغ سرعة الصوت في الماء 1,482 متراً تقريباً في الثانية. وهذا أسرع بأربع مرات من الهواء! ويرجع هذا الاختلاف إلى الخواص الميكانيكية للمادتين: فجزيئات الماء أقرب إلى بعضها البعض ويمكنها نقل طاقة الاهتزاز بسرعة أكبر من جزيئات الهواء.
كيف يسمع البشر؟
تشريح الأذن البشرية والتكيف لسماع الصوت في الهواء
الأذن البشرية عضو معقد يؤدي وظيفتين أساسيتين: السمع والحفاظ على التوازن. وتنقسم تشريحياً إلى ثلاثة أجزاء: الأذن الخارجية، والوسطى، والداخلية.
- الأذن الخارجية: تتكون الأذن الخارجية من الجزء المرئي الذي يسمى الصيوان “auricle”، والذي يبرز من جانب الرأس، والقناة السمعية الخارجية القصيرة. وظيفة الأذن الخارجية هي جمع الموجات الصوتية وتوجيهها إلى غشاء الطبل “tympanic membrane”، والذي يسمى عادة طبلة الأذن “eardrum”. هذه الموجات الصوتية تجعل طبلة الأذن تهتز.
- الأذن الوسطى: الأذن الوسطى عبارة عن تجويف ضيق مملوء بالهواء في العظم الصدغي. وتمتد عبر سلسلة من ثلاث عظام صغيرة – المطرقة (malleus)، والسندان (incus)، والركاب (stapes)، والتي تسمى مجتمع عظيمات السمع “auditory ossicles”. تقوم هذه السلسلة العظمية بتوصيل الصوت من غشاء الطبل إلى الأذن الداخلية.
- الأذن الداخلية: تتكون الأذن الداخلية من وحدتين وظيفيتين: الجهاز الدهليزي “vestibular apparatus”، ويتكون من الدهليز “vestibule” والقنوات نصف الدائرية “semicircular canals”، والذي يحتوي على الأعضاء الحسية للتوازن الوضعي؛ والقوقعة “cochlea” التي تشبه قوقعة الحلزون، والتي تحتوي على عضو السمع الحسي. هذه الأعضاء الحسية هي نهايات متخصصة للغاية للعصب القحفي الثامن “eighth cranial nerve”، ويسمى أيضًا العصب الدهليزي القوقعي “vestibulocochlear nerve”.
يتم تكييف الأذن لسماع الصوت في الهواء عن طريق تحويل الموجات الصوتية إلى إشارة عصبية. تُعرف هذه العملية باسم التنبيغ “transduction”. يقوم الهيكل اللحمي الكبير الموجود على الجزء الجانبي من الرأس، والمعروف باسم الأذنية “auricle”، بتجميع الموجات الصوتية وتوجيهها نحو القناة السمعية. وفي نهاية القناة السمعية يوجد غشاء الطبل، أو طبلة الأذن، الذي يهتز بعد أن تضربه الموجات الصوتية.
الصوت تحت الماء
كيف يكون الصوت مختلفاً تحت الماء بسبب كثافة الماء
يختلف صدى الصوت تحت الماء ويرجع ذلك أساسًا إلى زيادة كثافة الماء مقارنة بالهواء. بشكل عام، تنتقل الموجات الصوتية عبر الوسائط الأكثر كثافة بشكل أكثر كفاءة من الوسائط الأقل كثافة. وذلك لأن الجزيئات الموجودة في الوسط الأكثر كثافة تكون أقرب إلى بعضها بعضاً، مما يسمح بانتقال طاقة الموجة الصوتية بسرعة أكبر من جسيم إلى جسيم.
بينما في الماء، تكون الجزيئات أقرب إلى بعضها البعض مما هي عليه في الهواء. فعندما تضرب موجة صوتية جزيء الماء؛ تتسبب في اهتزاز الجزيء، ثم يتم تمرير هذا الاهتزاز إلى الجزيئات المجاورة، مما يخلق موجة من الضغط تنتقل عبر الماء. وتحدث هذه العملية في الماء بسرعة أكبر منها في الهواء بسبب قرب جزيئات الماء من بعضها البعض.
لماذا ينتقل الصوت بشكل أسرع في الماء وكيف يؤثر ذلك على إدراكنا للصوت
يتم تحديد سرعة الصوت في وسط ما من خلال مزيج من كثافة الوسط ومرونته. وفي الماء، يساهم كلا هذين العاملين في زيادة سرعة الصوت مقارنة بالهواء. توفر كثافة الماء انتقالاً سريعاً للاهتزازات من جزيء إلى جزيء، بينما تساعد مرونة الماء على حمل هذا الاهتزاز بشكل أكبر.
تبلغ سرعة الصوت في الماء حوالي 1500 متر في الثانية، بينما في الهواء حوالي 343 متر في الثانية. وهذا يعني أن الصوت ينتقل في الماء أسرع بأربع مرات منه في الهواء!
يؤثر هذا الاختلاف في السرعة بشكل كبير على إدراكنا للصوت تحت الماء. على سبيل المثال، إذا سمعت صوتاً يصدر على مسافة تحت الماء؛ فإنه سيصل إلى أذنيك في وقت أسرع بكثير مما لو صدر نفس الصوت على نفس المسافة في الهواء. وهذا قد يجعل من الصعب الحكم على المسافات تحت الماء بناءً على الصوت.
علاوة على ذلك، ونظراً لأن الماء يوصل الصوت بشكل جيد، فيمكن سماع الأصوات على مسافات كبيرة تحت الماء. ولهذا السبب تستطيع الحيتان والحيوانات البحرية الأخرى التواصل عبر مسافات شاسعة باستخدام الصوت.
في الختام، فإن الخصائص الفريدة للمياه، وخاصة كثافتها ومرونتها، تجعل الصوت يبدو بشكل مختلف وينتقل بشكل أسرع تحت الماء منه في الهواء. وهذا له آثار كبيرة على كيفية إدراك الصوت تحت الماء، وقد أدى إلى تكيفات رائعة في الحيوانات البحرية. يعد فهم مبادئ الصوتيات تحت الماء أمرًا بالغ الأهمية في مجالات مثل الأحياء البحرية وعلم المحيطات والهندسة تحت الماء.
إذاً، لماذا يختلف الصوت تحت الماء؟
يختلف الصوت تحت الماء بسبب ارتفاع كثافة الماء ومرونته، مما يسمح للموجات الصوتية بالانتقال بشكل أسرع وأكثر كفاءة من الهواء. ويؤدي ذلك إلى إدراك مختلف للصوت تحت الماء، بما في ذلك صعوبة الحكم على المسافات بناءً على الصوت والقدرة على سماع الأصوات على مسافات كبيرة.
سمع الإنسان تحت الماء
كيف يسمع الناس تحت الماء؟
ينتقل الصوت في الماء بطريقة مختلفة عما ينتقل في الهواء. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى حقيقة أن الماء أكثر كثافة من الهواء، مما يسمح للموجات الصوتية بالانتقال بشكل أسرع والحفاظ على طاقتها لفترة أطول من الزمن. على سبيل المثال، في المياه العذبة في درجة حرارة الغرفة، ينتقل الصوت بمعدل 4.3 مرات أسرع مما ينتقل في الهواء عند نفس درجة الحرارة.
ومع ذلك، فإن الأذن البشرية، التي خلقها الله لسماع الصوت في الهواء، ليست فعالة عند غمرها في الماء. وذلك لأن الآليات التي تسمح لنا بتحديد اتجاه مصدر الصوت، مثل التأخير الطفيف في الوقت الذي يستغرقه الصوت للوصول إلى إحدى الأذنين مقارنة بالأخرى، تتعطل تحت الماء. ونتيجة لذلك، عندما نكون تحت الماء، غالبًا ما يبدو الأمر وكأن الأصوات تأتي من جميع الاتجاهات في وقت واحد.
كيف تنقل أنسجة الرأس الموجات الصوتية تحت الماء
رؤوسنا مليئة بالأنسجة التي تحتوي على الماء. عندما نكون تحت الماء، يمكن لهذه الأنسجة نقل الموجات الصوتية. تُعرف هذه العملية بالتوصيل العظمي “bone conduction”.
عندما يحدث ذلك، فإن الاهتزازات الناتجة عن الموجات الصوتية تتجاوز طبلة الأذن، وهي جزء من الأذن الذي خُلِقَ لالتقاط الموجات الصوتية في الهواء. وبدلاً من ذلك، يتم توصيل الموجات الصوتية مباشرةً عبر الأنسجة المملوءة بالماء في رؤوسنا إلى الأذن الداخلية. وهذا يسمح لنا بالسماع تحت الماء، على الرغم من أن العملية تختلف عن الطريقة التي نسمع بها عادةً الأصوات في الهواء.
من المهم أن نلاحظ أن طريقة السمع هذه ليست دقيقة مثل سمعنا الطبيعي في الهواء. لإن الموجات الصوتية التي تصل إلينا بوتيرة أسرع وتحافظ على شدتها لفترة أطول تحت الماء يجب أن تجعلنا من الناحية النظرية ندرك أن تلك الأصوات أعلى صوتاً. ومع ذلك، ونظراً لأن الأصوات تنتقل عبر أنسجة الرأس وتتجاوز طبلة الأذن، فقد لا ندركها على هذا النحو.
في الختام، على الرغم من أننا نستطيع أن نسمع تحت الماء، فإن العملية تختلف تماماً عن تجربتنا النموذجية للسمع في الهواء، وتأتي مع مجموعة فريدة من التحديات.
إذاً، هل يمكننا أن نسمع تحت الماء؟
نعم، يمكننا أن نسمع تحت الماء، لكن العملية مختلفة وأقل دقة من السمع في الهواء، وذلك بسبب انتقال الموجات الصوتية عبر الأنسجة المملوءة بالماء في رؤوسنا، متجاوزة طبلة الأذن.
