دبیران فیزیک شهرستان شهریار

آیا موج صوتی می تواند شما را بُکشد؟

بیگ بنگ: در قسمت هجدهم از سری کتاب های تن تن، پروفسور نابغه ای به نام کالکولوس یک دستگاه صوتی اختراع می کند که بسیار ویرانگر می باشد. او توسط یک دشمن متخاصم به گروگان گرفته شده است که قصد دارد او را وادار به ساخت یک سلاح صوتی بنماید. استراتژیست های نظامی بدطینت که در پشت این قضیه قرار دارند در حال کشیدن نقشه برای نابودی کلیه شهرها با استفاده از صداهای انفجاری شدید این دستگاه می باشند. البته خوشبختانه دوستان خوب کالکولوس، یعنی گزارشگر ماجراجو تن تن و دوستش کاپیتان هادوک، پروفسور را نجات داده و نقشه پلید آنان را به موقع خنثی می کنند. ولی آیا هیچ دلیل علمی پشت این داستان وجود دارد؟ آیا واقعا صدا می تواند کسی را بکشد؟ و اگر بله، چطور؟

به گزارش بیگ بنگ،  صدا از فشارهای موج گونه ای ساخته شده است که از طریق یک رسانه یا محیط مادی مانند هوا منتقل می شوند. این امواج همچنین می توانند از طریق جامدات و مایعات نیز انتقال پیدا کنند که معنی آن این است که حتی میتوانند از طریق بدن انسان نیز انتقال یابند. از نظر تئوری اگر شما بتوانید به مقدار کافی فشار صوتی تولید نمایید پس در نتیجه می توانید آسیب هایی نیز به وجود آورید.

دو مقیاس کلیدی در خصوص صدا، دسیبل و هرتز می باشند. یک دسیبل واحد شدت صوتی می باشد در حالی که هرتز، فرکانس امواج صوتی در حال حرکت می باشد. مکالمه عادی در ۵۰ تا ۶۵ دسیبل فشار صوتی انجام می شود. یک ماشین چمن زنی در حدود ۸۵ تا ۹۰ دسیبل صدا تولید می کند در حالی که صدای تق تق مته های دستی مخصوص سوراخ کردن سنگ در حدود ۱۱۰ دسیبل و موتور جت در حدود ۱۴۰ دسیبل صدا تولید می کنند.

انسان ها تنها می توانند صداهایی در رنج فرکانسی بین ۲۰ الی ۲۰۰۰۰ هرتز را بشنوند اما صداهایی با فرکانس پایین تر نیز کماکان می توانند تاثیراتی بر روی ما داشته باشند. اگر شما در مقابل یک ساب ووفر با فرکانس ۱۹ هرتز بنشینید، حتی اگر صدا را تا حدود ۱۰۰ دسیبل بالا ببرید، هیچ صدایی نخواهید شنید اما لرزش ها را حس خواهید کرد. در فرکانس ۱۹ هرتز، چشم های شما شروع به ضعیف شدن می کنند و دلیلش این است که این فرکانس ِ تشدید کره ی چشم انسان می باشد.

اگر شما در معرض صدایی با ۱۷۷ دسیبل و فرکانس ۰.۵ تا ۸ هرتز قرار بگیرید، ریه های شما شروع به آسیب دیدن می نمایند، تنفس شما نامنظم شده و استخوان های شما شروع به لرزیدن خواهند نمود. این صدا در مدتی کوتاه می تواند به مفاصل شما آسیب برساند، اما اگر مدتی طولانی در معرض این صدا قرار داشته باشید می تواند باعث حالت تهوع و آسیب به سیستم بینایی شما گردد.

آژانس فضایی اروپا(ESA) ادعا می کند که اگر شما به طریقی تصادفی در داخل مرکز تجهیزات اتیک اروپا (Large European Acoustic Facility-LEAF) که برای تست قابلیت ارتجاعی ماهواره ها می باشد، حبس شوید؛ نمی توانید از حمله ی صوتی نجات پیدا کنید. یک فاکتور کلیدی این است که شما در یک فضای محصور قرار می گیرید. در فضای بیرون امواج صوتی پراکنده می شوند و قبل از رسیدن به سطحی که کُشنده باشند، به سرعت تضعیف می شوند. ولی این موضوع باعث نشده که دانشمندان تحقیقات خود را در خصوص استفاده از صدا به عنوان اسلحه، کنار بگذارند.

بعنوان مثال محاسبه شده که برای منفجر کردن سر انسان به صدایی در حدود ۲۴۰ دسیبل نیاز است. این مقدار دسیبل بسیار زیادی می باشد، تولید این مقدار صدا تقریبا غیر ممکن می باشد. حتی زمانی که دستگاه تولید صدا در مرکز تجهیزات اتیک اروپا شروع به تولید صدا با بالاترین شدت میکند، نهایتا می تواند ۱۵۴ دسیبل تولید کند.

اما برای اهداف غیر کشنده، سلاح های صوتی واقعا می توانند سودمند باشند. به عنوان مثال شما می خواهید که ان دریایی سومالی را از نزدیک شدن به کشتی خود منصرف کنید. بایستی سعی کنید دستگاه صوتی دوربرد سی هزار دلاری و مورد اعتماد خود را روشن کنید و با ۱۵۰ دسیبل صدا که استخوان ها را می لرزاند به آن ها ضربه بزنید. این کار حتی در فاصله ی ۳۰۰ متری باعث از دست دادن شنوایی اهداف شما برای همیشه خواهد شد.

تاریخچه

گالتون سوت، یکی از اولین دستگاه های تولید سونوگرافی است

در سال ۱۸۷۶ میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی به وجود امواج فراصوت برد. گالتن با ساخت و آزمایش سوتی توانست اصواتی با بسامدی بالاتر از محدوده شنوایی انسان (فراصوت) تولید نماید. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن غم انگیز کشتی‌هایش توسط زیردریایی‌های کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف‌کننده زیردریایی‌ها به کمک امواج صوتی به نام سونار ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پیدا کردن مسیر کشتی‌ها استفاده می‌شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها به‌طور گسترده‌ای در صنعت این کشور برای آشکارسازی شکاف‌ها در فات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت سونار به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.  از جمله ضعف‌ها و محدودیت‌های این روش، عدم عبور این امواج از استخوان و گاز و هوا می‌باشد که باعث شده روش ایده‌آلی برای تصویر برداری از سینه و ریه و روده (بخاطر وجود گازهای روده‌ای) و ساختمان‌های داخلی تر، همچون آئورت و لوزالمعده، نباشد. همچنین بعلت تضعیف این امواج در بافت‌های بدن، این روش برای تصویربرداری از اعضای داخلی بدن افراد بسیار چاق، غیرقابل استفاده می‌باشد.

کاربردها

انسان

بر اساس آمارگیری انجام شده اولتراسوند (امواج فراصوت) بیشترین کاربرد را نسبت به سایر روش‌های تصویربرداری، دارد که قطعاً ایمنی بالا و عدم استفاده از اشعه‌های یونیزه‌کننده از یک طرف، هزینه پایین و حمل و نقل آسان، از سوی دیگر، در کنار ویژگی‌های کم‌نظیری همچون ارائه تصویر به صورت بِلادرنگ که کاربرد زیادی در جراحی و . دارد، دلیل این همه استفاده از این روش می‌باشد. اگرچه ضعف‌های این روش، گاهی ما را به سمت استفاده از روش بسیار گران قیمت ام‌آرآی، یا استفاده از روش کم ایمنی CT سوق می‌دهند.

کاربرد تشخیصی سونوگرافی

1. بیماریهای ن و زایمان مانند بررسی قلب جنین، اندازه‌گیری قطر سر (سن جنین)، تشخیص جنسیت جنین، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای . این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند؛ بنابراین برای ن و کودکان بی‌خطر می‌باشند.
2. بیماریهای مغز و اعصاب مانند بررسی تومور مغزی، خون‌ریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
3. بیماری‌های چشم مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خون‌ریزی شبکیه، اندازه‌گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.
4. بیماری‌های کبدی مانند بررسی کیست و آبسه کبدی.
5. بیماری‌های قلبی مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
6. دندانپزشکی مانند اندازه‌گیری ضخامت بافت نرم در حفره‌های دهانی.

کاربرد درمانی (سونوتراپی)

از فراصوت با بسامدهای متغیر و پایین در فیزیو تراپی برای کاهش التهاب و درد استفاده می‌شود. همچنین از کاربرد گرمایی را می‌توان نام برد. برای مثال به منظور سوزاندن تومور و همچنین در مواردی به منظور تحریک نورون‌ها در بیماری‌های نورولوژیکی از امواج فراصوت استفاده می‌شود.

حیوانات

خفاش ها انواع مختلفی از تکنیک‌های فراصوت ( پژواک‌یابی در جانوران) را برای تشخیص شکار خود استفاده می‌کنند. آن‌ها می‌توانند فرکانس‌های فراتر از ۱۰۰ کیلوهرتز، احتمالاً تا ۲۰۰ کیلوهرتز را تشخیص دهند.

کاربردهای آزمایشگاهی و صنایع غذایی

از آنجا که همگن سازی محلول‌های ویسکوز، ترکیبات نانو، محلول‌های پلیمری و . توسط همزن‌های مکانیکی به سختی صورت می‌گیرد یا محدودیت فنی وجود دارد، استفاده از هموژنایزر اولتراسونیک سبب تهیه محلول‌های کاملاً یکنواختی از موارد فوق می‌شود. در واقع با استفاده از قابلیت‌های امواج فراصوت می‌توان ذرات مایع یا جامد سخت یا نرم را به‌طور مناسب همگن نمود.

کاربردهای صنعتی

آزمون فراصوت یکی از روش‌های آزمون‌های غیر مخرب است. در این روش امواج فراصوت با فرکانس بالا و با دامنه کم به داخل قطعه فرستاده می‌شوند. این امواج پس از برخورد به هر گسستگی بازتابیده می‌شوند. از روی دامنه و زمان بازگشت این امواج می‌توان به مشخصه‌های این گسستگی پی برد. از کاربردهای این روش می‌توان به اندازه‌گیری ضخامت و تشخیص عیوب موجود در قطعات نام برد. یکی از امتیازات مهم این روش توانایی آن در تشخیص عیوب بسیار کوچک به علت فرکانس بالای این امواج و در نتیجه طول موج بسیار کوچک آن‌ها است.

کاربردهای امنیتی

در سامانه‌های امنیتی اماکن و خودروها از حسگر فراصوت برای تشخیص حرکت اشیاء به وفور استفاده می‌شود. پلیس از این سیستم برای کنترل سرعت خودروها استفاده می‌کند.

سونار

در کشتی‌ها و زیر در یایی‌ها از این سیستم برای کنترل عمق دریا و پی بردن به وجود اشیاء داخل آب استفاده می‌شود. از سونارهای اولترا سونیک برای پی بردن به وجود اشیاء پرنده نیز استفاده می‌گردد.

لوازم منزل

پژوهشگران روشی نوین برای خارج کردن رطوبت البسه با استفاده از امواج فراصوت توسعه دادند. این روش نسبت به استفاده از گرما هم انرژی کمتری مصرف می‌کند هم بسیار سریع‌تر لباس‌ها و پارچه‌ها را خشک می‌کند

جمعه 16 نوامبر 20 در کنفرانس بین المللی اوزان و مقیاس (CGPM) که در ورسای پاریس برگزار شد، نمایندگان 60 کشور تصمیم گرفتند که چهار واحدِ SI (کیلوگرم، آمپر، کلوین و مول) را باز تعریف کنند. این تغییرات از 20 می 2019 بکار گرفته خواهند شد. هفت واحد بنیادی SI عبارتند از متر، ثانیه، کیلوگرم، آمپر، کلوین، مول و کاندلا. بعضی از این تعریف‌ها مانند متر از سال 1983 بر اساس ثابت بنیادی طبیعت تعریف شده‌اند. متر را فاصله‌ای تعریف می‌کنند که نور در مدت یک بر روی 299792458 ثانیه طی می‌کند.

ولی 4 واحدی که امروز تصمیم بر بازتعریف آن گرفته شده است قبلا توسط یک شی یا یک پدیده آزمایشگاهی اندازه گیری می‌شد. این بدین معنی است که این کمیت‌ها دارای مقادیر جهان‌شمولی نبودند. مهمترین تغییر مربوط به کیلوگرم است. تعریف کیلوگرم دارای قدمت بیش از 143 سال دارد. استوانه ای پلاتینیمی که در پاریس نگه داشته می شود واحد اندازه گیری جرم بود. در حالی که از این به بعد این کمیت براساس ثابت پلانک h تعریف خواهد شد. این کمیت در سال های اخیر با دقت بسیار زیادی اندازه گیری شده است. از این پس توافق بر این است که این کمیت را ثابت و برابر با واحد کیلوگرم در متر مربع درعکس ثانیه انتخاب کنیم.

 آمپر بر اساس بار الکترون، کلوین بر اساس ثابت بولتزمان و مول بر اساس عدد آووگادرو محاسبه خواهد شد. این تغییرات اثر بسیار ناچیزی بر روی زندگی روزمره خواهند داشت ولی اندازه گیری ها را دقیق تر و بر پایه بسیار محکم فیزیکی قرار خواهند داد.

 کیلوگرم :

کیلوگرم براساس ثابت پلانک باز تعریف میشود و بر این اساس این تغییر بصورت پایدار در مدت زمان طولانی تضمین خواهد شد. مقدار ثابت پلانک به این دلیل انتخاب می شود که در زمان بازتعریف تغییری در کیلوگرم استاندارد ایجاد نشود. همچنین عدم قطعیت‌های ارایه شده توسط NMI تغییر چشمگیری نخواهد یافت .

 آمپر:

گذار از کنوانسیون بین المللی 1990 به تعاریف جدید باعث ایجاد تغییرات کوچکی در واحد الکتریکی خواهد شد. برای اکثریت قریب به اتفاق پژوهشگران تغییرات خیلی کوچکی در مقیاسِ 0.1 ppm در ولتاژ و حتی کمتر از آن در اهم قابل چشم‌پوشی است. پژوهشگرانی که با بالاترین دقت ممکن فعالیت می کنند ممکن است در بازبینی مقادیر استاندارد خود بررسی‌های مجددی داشته باشند.

کلوین :

بازتعریف کلوین بدون هیچ تغییری در نحوه اندازه گیری‌های دما و قابلیت ردیابی آن انجام خواهد شد و برای اکثر کاربران غیر محسوس خواهد بود . این تعاریف جدید برای پیشرفت در تکنولوژی آینده لحاظ شده است. یک تعریف غیر وابسته به مواد و محدودیت‌های فنی، امکان توسعه برای ایجاد تکنیک های جدید در روش‌های اندازه گیری دما بویژه دماهای بسیار بالا را فراهم می کند. پس از بازتعریف ، متود های عملی جهت ارتقاء کلوین با استفاده از توصیف روش های اولیه معتبر در مورد اندازه گیری دما و همچنین از طریق مقیاس های تعریف شده (ITS-90 ,PLTS-2000) ارائه خواهد شد.

مول :

مول با توجه به تعداد خاصی از شاخصه ها مجددا بازتعریف میشود و دیگر به واحد جرم یعنی کیلوگرم بستگی نخواهد داشت. وزن‌های اتمی در این بازتعریف تغییری نخواهند داشت و مقدار Mu همان 1 g/Mol خواهد بود. این عدم قطعیت به قدری کوچک است که تعریف اصلاح شده از مول در عمل هیچ گونه تغییری نخواهد داشت.

 ثانیه :

باز تعریف ثانیه بر اساس مقدار ثابت عددی فرکانس سزیم 133 ادامه خواهد داشت. زنجیره قابلیت ردیابی و همچنین اندازه گیری‌های زمان و فرکانس تحت تاثیر تعریف جدید نخواهند بود.

 کاندلا:

کاندلا همچنان با توجه Kcd که یک ثابت تکنیکی برای فوتومتری است، تعریف خواهد شد و مرتبط با واحد Watt خواهد ماند.

می‌دانیم که تئوری الکترومغناطیسِ رایج، تا آنجا که مربوط به بحث درباره‌ی میادین الکتروستاتیکی می‌شود غالباً همان جذابیتِ مباحث منطقی ریاضیات و همان استواریِ مکانیک کلاسیک را دارا می‌باشد؛ اما از نقطه‌ای که تداخل میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی آغاز می‌شود این تئوری، دارایِ نه تنها نوعی پیچیدگیِ غیرطبیعی بلکه همچنین مخالفتِ غیرمنتظره‌ی ناگهانی با مکانیک کلاسیک می‌گردد، مثلاً به سهولت و در شکل‌های ساده، قانون عمل و عکس‌العمل توسط این تئوری نقض می‌گردد. به‌نظر می‌آید که منشأ این مشکل باید در این حقیقت جستجو گردد که علیرغم این حقیقت که روش ساده‌سازیِ مسائل و درواقع روش نمونه‌سازیِِ ذهنیِ مسائل فیزیکی روش معمول فیزیکدانان نظریِ بزرگ در کشف قوانین فیزیکی بوده است در استفاده از این روش در موردِ الکترومغناطیس مسامحه شده است و درعوض کوشش‌های زیادی در ماهیتِ واقعی بخشیدن به بعضی مفاهیم انتزاعی و کمکی، نظیر میدان‌ها، و توجیهِ ریاضی‌وارِ انحراف از منطق مکانیک کلاسیک به‌عمل آمده است که بدین‌خاطر پیچیدگی‌های غیرضروریِ تئوری افزایش و بالتبع جذابیتِ آن کاهش یافته است.
وقتی یک دانش‌آموزِ دبیرستانی می‌خوانَد که عقربه‌ی یک قطب‌نما در مجاورت یک سیمِ حامل جریان منحرف می‌شود و نیرویی بر یک سیمِ حامل جریان آویخته در یک میدان مغناطیسی ثابت وارد می‌شود، قبول این امر که این همان قانون عمل و عکس‌العمل است (و بنابراین همچنین نیرویی بر سیم ناشی از عقربه‌ی قطب‌نما و بر آهنربای ثابت ناشی از سیم آویخته وجود دارد) برای او بسیار منطقی‌تر است تا چشم‌پوشیدن بر اعتبار عمومیِ این قانون و انتسابِ مستقیمِ نیروی وارد شده بر عقربه‌ی قطب‌نما به میدانی مبهم در اطراف سیم که او باید اصالتی بیش از عامل ایجاد این میدان برای آن قائل باشد! برای او بسیار منطقی‌تر و خوشایندتر است که به تجسمِ دو بارِ نقطه‌ایِ الکتریکی و مغناطیسیِ درحال حرکت به‌سمت یکدیگر بر روی دو خط موازیِ مختلف بپردازد و سپس، با مقایسه‌ی وضعیت با نیروهای مذکورِ وارد شده بر عقربه‌ی قطب‌نما و بر سیمِ آویخته، به استنتاج شکلِ نیروهایی که آنها بر یکدیگر وارد می‌آورند بپردازد. این کارِ ساده را با ارائه‌ی شکل ریاضی‌وار و درواقع برداری این نیروها در زیر انجام داده‌ایم. درست همین عملِ ساده پیامدهایی جالب داشته است که از آنجا که نیاز به دانستنِ آنالیز بردای است در این مقاله به آنها نمی‌پردازیم. آنچه با اطمینانِ خاطر می‌توان گفت این است که یقیناً بسیاری از فیزیکدانان خوشحال خواهند بود اگر راهی یافت شود که بتوان تئوری الکترومغناطیس را برمبنای فیزیک کلاسیک و در چارچوب تبدیلات گالیله بنیان نهد زیرا دلیلِ ارائه شده برای انحراف از این فیزیک و انتخاب دیگر تبدیلات دقیقاً عدمِ توانایی بر یافتنِ چنین راهی بوده است.

می‌دانیم که تئوری الکترومغناطیسِ رایج، تا آنجا که مربوط به بحث درباره‌ی میادین الکتروستاتیکی می‌شود غالباً همان جذابیتِ مباحث منطقی ریاضیات و همان استواریِ مکانیک کلاسیک را دارا می‌باشد؛ اما از نقطه‌ای که تداخل میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی آغاز می‌شود این تئوری، دارایِ نه تنها نوعی پیچیدگیِ غیرطبیعی بلکه همچنین مخالفتِ غیرمنتظره‌ی ناگهانی با مکانیک کلاسیک می‌گردد، مثلاً به سهولت و در شکل‌های ساده، قانون عمل و عکس‌العمل توسط این تئوری نقض می‌گردد. به‌نظر می‌آید که منشأ این مشکل باید در این حقیقت جستجو گردد که علیرغم این حقیقت که روش ساده‌سازیِ مسائل و درواقع روش نمونه‌سازیِِ ذهنیِ مسائل فیزیکی روش معمول فیزیکدانان نظریِ بزرگ در کشف قوانین فیزیکی بوده است در استفاده از این روش در موردِ الکترومغناطیس مسامحه شده است و درعوض کوشش‌های زیادی در ماهیتِ واقعی بخشیدن به بعضی مفاهیم انتزاعی و کمکی، نظیر میدان‌ها، و توجیهِ ریاضی‌وارِ انحراف از منطق مکانیک کلاسیک به‌عمل آمده است که بدین‌خاطر پیچیدگی‌های غیرضروریِ تئوری افزایش و بالتبع جذابیتِ آن کاهش یافته است.
وقتی یک دانش‌آموزِ دبیرستانی می‌خوانَد که عقربه‌ی یک قطب‌نما در مجاورت یک سیمِ حامل جریان منحرف می‌شود و نیرویی بر یک سیمِ حامل جریان آویخته در یک میدان مغناطیسی ثابت وارد می‌شود، قبول این امر که این همان قانون عمل و عکس‌العمل است (و بنابراین همچنین نیرویی بر سیم ناشی از عقربه‌ی قطب‌نما و بر آهنربای ثابت ناشی از سیم آویخته وجود دارد) برای او بسیار منطقی‌تر است تا چشم‌پوشیدن بر اعتبار عمومیِ این قانون و انتسابِ مستقیمِ نیروی وارد شده بر عقربه‌ی قطب‌نما به میدانی مبهم در اطراف سیم که او باید اصالتی بیش از عامل ایجاد این میدان برای آن قائل باشد! برای او بسیار منطقی‌تر و خوشایندتر است که به تجسمِ دو بارِ نقطه‌ایِ الکتریکی و مغناطیسیِ درحال حرکت به‌سمت یکدیگر بر روی دو خط موازیِ مختلف بپردازد و سپس، با مقایسه‌ی وضعیت با نیروهای مذکورِ وارد شده بر عقربه‌ی قطب‌نما و بر سیمِ آویخته، به استنتاج شکلِ نیروهایی که آنها بر یکدیگر وارد می‌آورند بپردازد. این کارِ ساده را با ارائه‌ی شکل ریاضی‌وار و درواقع برداری این نیروها در زیر انجام داده‌ایم. درست همین عملِ ساده پیامدهایی جالب داشته است که از آنجا که نیاز به دانستنِ آنالیز بردای است در این مقاله به آنها نمی‌پردازیم. آنچه با اطمینانِ خاطر می‌توان گفت این است که یقیناً بسیاری از فیزیکدانان خوشحال خواهند بود اگر راهی یافت شود که بتوان تئوری الکترومغناطیس را برمبنای فیزیک کلاسیک و در چارچوب تبدیلات گالیله بنیان نهد زیرا دلیلِ ارائه شده برای انحراف از این فیزیک و انتخاب دیگر تبدیلات دقیقاً عدمِ توانایی بر یافتنِ چنین راهی بوده است.