איך גורמים לגרגירי מלח לרקד לצלילי מוזיקה?

בניסוי הזה נראה איך לגרום למלח 'לרקוד' בשלוש שיטות.

ציוד וחומרים

  • רדיד אלומיניום ("נייר כסף")
  • קערה
  • טלפון נייד
  • רמקול בלוטות' קטן
  • מלח (אפשר גם אורז יבש)

​לגיוון:

  • אפליקציית מחולל תדרים לטלפון (חפשו tone generator בחנויות האפליקציות)
  • תוף / קופסת פח ומקל

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

תנודות של האוויר

כדי להבין מדוע המלח רוקד לצלילי המוזיקה, ראשית חייבים להבין כי הקולות שאנחנו שומעים הם תנודות של האוויר. האוויר הוא תערובת של גזים, המורכבים מחלקיקים קטנטנים (אטומים ומולקולות) שנעים לכל עבר. קול הוא למעשה גל שעובר בין חלקיקי הגז באוויר כסדרה של של "הידחסויות" ו"קילושים" (אזורים פחות דחוסים) של החלקיקים המרכיבים את האוויר. כפי שאפשר לראות באנימציה:


הנקודות השחורות מדמות את חלקיקי הגז שמהם מורכב האוויר. שימו לב שהחלקיקים עצמם לא באמת מתקדמים – הם רק נעים קצת קדימה ואחורה. אם אינכם משוכנעים בכך, התמקדו בחלקיק יחיד ועקבו אחר תנועתו. רק הגל, או ה"הפרעה", מתקדמים.

בדרך כלל איננו יכולים לראות גלי קול – גם מפני שלאוויר אין צבע וגם כי התנודות של גלי הקול קלות מאוד והמשרעת שלהם (האמפליטודה, עוצמת התנועה) קטנה. אבל אפשר לחוש בהם: אם למשל שמים יד על רמקול חזק, אפשר להרגיש (באמצעות חוש המישוש) רטיטות קלות הנגרמות עקב גלי הקול שפוגעים ביד.

בניסוי הנוכחי, השתמשנו ברמקול עוצמתי שמעליו מונח רדיד אלומיניום. גלי הקול פגעו ברדיד האלומיניום והצליחו להניע אותו בדיוק לפי קצב המוזיקה המושמעת – כי המוזיקה המושמעת היא למעשה סדרה של רטיטות. כאשר שמנו מלח או אורז על רדיד האלומיניום, הם קפצו ו'רקדו' כי רדיד האלומיניום שמתחתם קפץ ורטט ולמעשה 'הרקיד' אותם.

בסוף הניסוי ראינו כי לא חייבים רמקול כדי לבצע את הניסוי, גם צליל חזק המופק מתוף או מקופסת פח מצליח לייצר קול בעוצמה כזאת שמרטיטה את רדיד האלומיניום ואת המלח.

לא כל צליל זוכה

בחלק השני של הניסוי במקום מוזיקה, השמענו צלילים טהורים בעזרת מחולל צלילים שהתקנו על הטלפון. קולות וצלילים הם כאמור רטיטות של האוויר, ומחולל הצלילים מפיק צלילים טהורים, בעלי תדר אחד ויחיד. כאשר במילה תדר (או תדירות) הכוונה למספר שיאי הגלים, או הרטיטות, בשנייה. כך למשל צליל בעל תדר 813 הרץ משמעו שהרמקול רוטט 813 פעמים בכל שנייה, כך שנוצר גל קול שבו בכל שנייה עוברים 813 שיאים של גל. כל תדירות נשמעת לנו כצליל שונה. וכאן ראינו תופעה מעניינת – לא כל הצלילים / תדירויות הצליחו להרטיט באותו אופן את גרגירי המלח והאורז. בניסוי שלנו מצאנו, למשל, שתדר של 480 הרץ מרטיט את האורז בעוצמה רבה הרבה יותר מתדרים אחרים. למעשה התופעה התקיימה גם כשהשמענו סתם מוזיקה – פשוט קשה היה לשים לב לכך כי המוזיקה מכילה תדרים / צלילים רבים שמשתנים כל הזמן, אבל אם תסתכלו היטב תוכלו להבחין כי צלילים מסויימים במוזיקה גרמו ליותר ריקוד מאחרים. והסיבה לכך היא תופעה שנקראת תהודה.

תהודה (רזוננס)

תהודה, או רֶזוֹנַנְס, היא תופעה מאוד נפוצה וחשובה בפיזיקה, ואני מניח שכולנו נתקלנו בה והשתמשנו בה באופן מעשי בלי לדעת שכך היא נקראת: כאשר אנו מנדנדים ילד בנדנדה, וכל פעם שהנדנדה מתקרבת אלינו אנו נותנים לה דחיפה קלה – וכתוצאה מכך היא מגבירה את מהירותה, זאת תהודה. בשפה לא מדעית, אפשר להגיד שתהודה זה הגברה של תנועה מחזורית (כמו נדנדה מתנדנדת, או כמו גלי קול) בעזרת זה שאנו נותנים לה אנרגיה בדיוק באותה קצב של המחזור שלה. כלומר רק כאשר דוחפים נדנדה באותו קצב שבו היא עצמה מתנדנדת התנועה שלה תתגבר – אתם יכולים לנסות לאחוז בחבל של הנדנדה ולנענע אותו מהר מאוד או לאט מאוד, ותראו שלא רק שהנדנדה לא תגביר את תנועתה אלא אפילו תחלש.

בניסוי שלנו – אם ניקח את קערית הזכוכית וניתן לה מכה – היא תרטוט ותשמיע צליל אופייני שתלוי בצורתה. זה נקרא 'התדר העצמי' שלה. כלומר הקצב שבו היא נוטה לרטוט באופן טבעי. ועכשיו – אם גלי הקול הם במקרה בדיוק באותו תדר כמו התדר העצמי של הקערה, תתרחש תהודה, שתגביר מאוד את עוצמת הרטיטות, וזה מה שאנחנו רואים.

כלי נגינה רבים (כמו כינור, גיטרה, פסנתר ועוד) – מכילים 'תיבת תהודה' שבנוייה במיוחד להגביר את התדרים שכלי הנגינה יוצר, בעזרת תופעת התהודה.

תיבת תהודה של גיטרה אקוסטית
תיבת תהודה של גיטרה אקוסטית | מקור: ISeneca ויקיפדיה, נחלת הכלל

אם לדייק – אז זה לא שיש תדר אחד בלבד שנוצרת בו תהודה, אלא כמה תדרים, והשברים או הכפולות השלמות שלהם (למשל סביר שבנוסף ל480 הרץ גם 240 הרץ היו מראים תופעה של תהודה). ולכן במוזיקה שהשמענו היו צלילים רבים שגרמו לקערה לרטוט בעוצמה רבה , ולמלח - לרקוד.

עור התוף

גם השמיעה שלנו מבוססת על משטח שרוטט כאשר גלי הקול פוגעים בו – בדומה לרדיד האלומיניום. בתוך האוזן שלנו ישנו איזור של רקמה מתוחה הנקראת 'עור התוף'. צלילים שפוגעים בו גורמים לו לרעוד, הרעידות הללו מועברות דרך סדרה של איברים בפנים האוזן (עצמות זעירות ומבנה דמוי שבלול) – עד שנקלטות על ידי תאי עצב, שמתרגמים את הרטיטות לאות חשמלי, ומעבירים אותו למוח, שם האותות מתורגמים לצלילים שאנו שומעים. כלומר גם כשאנחנו שומעים – אנחנו בעצם חשים ברטיטות של האוויר. ראו כאן כתבה נפרדת עם סרטון המסביר את תהליך השמיעה.