Τι είναι ο ήχος;
Για τους περισσότερους από εμάς είναι σχεδόν αδύνατο να φανταστούμε έναν κόσμο δίχως ήχους. Πιθανόν να είναι το πρώτο πράγμα που βιώνεις όταν ξεκινάς τη μέρα σου: ένα ξυπνητήρι που σε τραβάει από τον άηχο κόσμο του ύπνου. Οι άνθρωποι αξιοποίησαν τον ήχο και δημιούργησαν έργα τέχνης, όπως είναι η μουσική, οι ταινίες και…τα βίντεο της Καθημερινής Φυσικής στο YouTube! Τι είναι όμως ο ήχος και πώς λειτουργεί;
Ήχος είναι ο τρόπος που μεταφράζει το μυαλό σου τα ηχητικά κύματα, τα οποία προέρχονται από διάφορα αντικείμενα που δονούνται. Μπορεί να είναι η χορδή μιας κιθάρας, οι φωνητικές σου χορδές ή η μηχανή ενός αυτοκινήτου.
Οι περισσότεροι έχουμε τα κύματα στο μυαλό μας κάπως έτσι.
Υπάρχουν δύο τύποι κυμάτων όμως, τα διαμήκη κύματα και τα εγκάρσια. Στα εγκάρσια κύματα τα μόρια του μέσου κινούνται κάθετα στη διεύθυνση που διαδίδεται το κύμα. Για παράδειγμα το κύμα που κάνουν οι φίλαθλοι στο γήπεδο είναι ένα εγκάρσιο κύμα, το κύμα διαδίδεται οριζόντια αλλά τα μόρια του μέσου, δηλαδή οι άνθρωποι, κινούνται κατακόρυφα. Τα κύματα στο νερό είναι κατά προσέγγιση εγκάρσια κύματα – για την ακρίβεια είναι ένας συνδυασμός εγκάρσιων και διαμηκών κυμάτων.
Εγκάρσιο κύμα
Διαμήκες κύμα
Κύμα στο νερό
Τα ηχητικά κύματα στον αέρα είναι διαμήκη, δηλαδή τα μόρια του μέσου κινούνται στην ίδια διεύθυνση με το κύμα. Όταν χτυπάς μια χορδή, αυτή αρχίζει να ταλαντώνεται και συμπαρασέρνει τα μόρια του αέρα που βρίσκονται κοντά της. Στη συνέχεια αυτά χτυπάνε τα κοντινά τους μόρια, τα οποία με τη σειρά τους χτυπάνε τα διπλανά μόρια και έτσι η διαταραχή διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις ώσπου τελικά φτάνει στα αυτιά σου. Μέσα στο αυτί σου βρίσκεται το τύμπανο, πάνω στο οποίο πέφτουν τα μόρια του αέρα και το θέτουν σε ταλάντωση ίδιας συχνότητας με την ταλάντωση της χορδής. Οι δονήσεις του τυμπάνου μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα και το μυαλό σου τα ερμηνεύει ως ήχους.
Τα μόρια του αέρα όμως χτυπάνε στα αυτιά σου όλη την ώρα. Για την ακρίβεια κοπανάνε σε όλο σου το σώμα ασταμάτητα και αυτό είναι που ονομάζουμε ατμοσφαιρική πίεση, η οποία έχει μια σταθερή τιμή. Τα ηχητικά κύματα δημιουργούν κάποιες περιοχές στον αέρα που έχουν πίεση μικρότερη από την κανονική (αραίωμα) και κάποιες περιοχές που έχουν μεγαλύτερη (πύκνωμα). Οι διαφορές αυτές στην πίεση είναι αυτό που ανιχνεύουν τελικά τα αυτιά σου και αυτό που καταλαβαίνεις ως ήχους.
Ένα ηχητικό κύμα έχει δύο κύρια χαρακτηριστικά: Συχνότητα και ένταση.
Συχνότητα
Η συχνότητα ενός ηχητικού κύματος εκφράζει το πόσο γρήγορα δονείται αυτό που παράγει τον ήχο. Μια χορδή που ταλαντώνεται 30 φορές το δευτερόλεπτο παράγει έναν ήχο 30 Hz.
Ο άνθρωπος μπορεί να ακούσει ήχους μεταξύ περίπου 20 Hz και 20 kHz. Ήχοι μικρότεροι από 20 Hz ονομάζονται υπόηχοι, ενώ ήχοι μεγαλύτεροι από 20 kHz υπέρηχοι. Το εύρος της ανθρώπινης ακοής όμως δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλο. Για παράδειγμα οι σκύλοι μπορούν να ακούσουν μέχρι και 45 kHz, ενώ οι γάτες μέχρι και 64 kHz. 1
Όσο μεγαλώνουμε βέβαια τόσο πέφτει το άνω όριο των συχνοτήτων που μπορούμε να ακούσουμε.
Όσο αυξάνει η συχνότητα τόσο περισσότερο ψιλός και διαπεραστικός είναι ο ήχος. Οι ήχοι που ακούμε καθημερινά βέβαια σπάνια είναι μίας μόνο συχνότητας, αλλά ένας συνδυασμός συχνοτήτων, γι’ αυτό και συνήθως δεν ακούγονται τόσο ενοχλητικοί.
Ένταση
Η ένταση του ήχου είναι η ισχύς του ηχητικού κύματος ανά μονάδα επιφάνειας, αλλά συνήθως μιλάμε για τη στάθμη της έντασης η οποία μετριέται σε decibel (dB). Το ιδιαίτερο με την κλίμακα dB είναι πως είναι λογαριθμική. Κάθε 10 dB η ένταση του ήχου αυξάνεται 10 φορές, αλλά σε εμάς ακούγεται 2 φορές πιο δυνατά. Για παράδειγμα, ένας ήχος 30 dB έχει 10 φορές μεγαλύτερη ένταση από έναν ήχο 20 dB και είναι δύο φορές πιο δυνατός. Με άλλα λόγια, χρειάζονται δέκα βιολιά για να ακουστούν δύο φορές πιο δυνατά από ένα βιολί. 2
Τα 0 dB είναι το κατώτατο όριο της ακοής (θα το δεις να αναφέρεται και ως κατώφλι ακουστότητας). Στα 10 dB βρίσκονται οι πιο αχνοί ήχοι που θα μπορούσες να ακούσεις. Το θρόισμα των φύλλων είναι στα 20 dB, ενώ κάποιος που ψιθυρίζει μερικά μέτρα μακριά ακούγεται στα 30 dB. Μια κανονική συζήτηση γίνεται στα 60 dB, ενώ τα προβλήματα ξεκινάνε από τα 90 dB και πάνω. Παρατεταμένη έκθεση σε τέτοιους ήχους προκαλεί μόνιμα προβλήματα στην ακοή.
Ένα μηχανάκι ή ένα κομπρεσέρ ακούγεται στα 100 dB, μια ροκ συναυλία στα 120 dB, ενώ ένας πυροβολισμός στα 130 dB. Μετά τα 160 dB πιθανόν κουφαίνεσαι ακαριαία. Μισό κιλό T.N.T στα 4,5 μέτρα ακούγεται στα 180 dB και μια χειροβομβίδα στα 190 dB. 3
Τα 194 dB είναι ο μέγιστος δυνατός ήχος που μπορεί να υπάρξει στον αέρα. Μετά τα 194 dB, η ενέργεια που εκλύεται είναι τόσο μεγάλη που ωθεί όλο τον αέρα προς τα έξω με υπερηχητική ταχύτητα, δημιουργώντας μια σφαίρα κενού γύρω από την πηγή, στην άκρη της οποίας ο αέρας είναι εξαιρετικά συμπιεσμένος και θερμός. Τα κύματα αυτά είναι γνωστά και ως ωστικά κύματα.
Οι ατομικές βόμβες που έπεσαν στη Χιροσίμα και στο Ναγκασάκι αντιστοιχούσαν σε 248 dB, ενώ ίσως ο πιο εκκωφαντικός θόρυβος στην ιστορία είναι η έκρηξη του ηφαιστείου Κρακατόα το 1883: 310 dB.
Το ηφαίστειο Κρακατόα βρίσκεται σε ένα νησί της Ινδονησίας, το οποίο εξαφανίστηκε κατά τα δύο τρίτα λόγω της έκρηξης. 160 χιλιόμετρα μακριά από το ηφαίστειο ο ήχος του ακούστηκε στα 180 dB, ενώ η έκρηξη έγινε αντιληπτή μέχρι και 5000 χιλιόμετρα μακριά. Επίσης σήκωσε τσουνάμι τουλάχιστον 30 μέτρων. Αν η φύση είναι η μητέρα μας, κάποιος την τσάντισε για τα καλά. 4
Υπάρχει όμως ένας ακόμα τρόπος κάποιος ήχος να ξεπεράσει τα 194 dB και αυτός είναι να διαδοθεί σε μέσο πυκνότερο από τον αέρα, όπως για παράδειγμα το νερό, τα στερεά ή η ατμόσφαιρα κάποιου άλλου πλανήτη. Όσο πιο πυκνό είναι το μέσο, τόσο πιο δυνατός είναι ο ήχος που μπορεί να διαδοθεί.
Η πυκνότητα του μέσου επίσης επηρεάζει και την ταχύτητα των ηχητικών κυμάτων. Όσο πιο κοντά βρίσκονται τα μόρια του μέσου, τόσο πιο γρήγορα ταξιδεύουν οι διαταραχές. Η ταχύτητα του ήχου στον αέρα είναι 343 m/s, στο νερό 1284 m/s και στον σίδηρο 5120 m/s. 5
Είναι λοιπόν φανερό πως για να διαδοθούν τα ηχητικά κύματα, προϋποθέτουν την ύπαρξη κάποιου μέσου. Συνήθως τα αντιλαμβανόμαστε μέσα απ’ τον αέρα, αλλά μπορούν να διαδοθούν μέσα από οποιοδήποτε υγρό, στερεό ή αέριο. Εκεί που σίγουρα δεν μπορούν να διαδοθούν, είναι στο διάστημα. Αν και υπάρχουν κάποια σκόρπια άτομα υδρογόνου ακόμα και στο διάστημα, είναι τόσο απομακρυσμένα μεταξύ τους που καθιστούν τη μετάδοση του ήχου αδύνατη. Αν βρισκόσουν σε κάποια γωνία και παρακολουθούσες μια έκρηξη supernova, δεν θα άκουγες απολύτως τίποτα.
Αν ένα δέντρο πέσει στο δάσος και δεν βρίσκεται κανείς κοντά για να το ακούσει, θα κάνει κάποιον ήχο; Είναι ο ήχος ένα φυσικό φαινόμενο, η διάδοση της διαταραχής στα μόρια του αέρα που προκάλεσε η πτώση του δέντρου; Ή μήπως ο ήχος είναι μια αίσθηση που μπορεί να υπάρξει μόνο μέσα στο μυαλό μας; 6