ஒலியியல் - 10ஆம் வகுப்பு அறிவியல் பாடப்பகுதி

ஒலியியல் பற்றி

நடுத்தரம் ~90 நிமிடப் படிப்பு

ஒலி என்பது நமது அன்றாட வாழ்க்கையில் மிக முக்கியப் பங்கு வகிக்கும் ஒரு இன்றியமையாத ஆற்றல் வடிவமாகும். நாம் நமது கருத்துக்களை ஒருவருக்கொருவர் பகிர்ந்து கொள்ளவும், பல்வேறு சத்தங்களை பகுப்பாய்வு செய்து தகவல்களை அறிந்து கொள்ளவும் ஒலி மிகவும் பயன்படுகிறது. இயற்பியலின் ஒரு சிறப்புப் பிரிவான ஒலியியல் என்பது ஒலி எவ்வாறு உற்பத்தியாகிறது, அது பல்வேறு ஊடகங்களின் வழியே எவ்வாறு அலை வடிவத்தில் பரவுகிறது மற்றும் நமது செவிகளை வந்தடையும் போது என்ன மாதிரியான விளைவுகளை ஏற்படுத்துகிறது என்பதை ஆழமாக விளக்குகிறது. மேலும் ஒலியின் தீவிரத்தை எவ்வாறு அளவிடுகிறோம், காதுகளில் அதன் உணர்வு எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதையும் இது முழுமையாக விளக்குகிறது.

இந்த ஒலியியல் பாடப்பகுதியில், அதிர்வுறும் பொருட்கள் எவ்வாறு அலை வடிவத்தில் ஆற்றலை உருவாக்குகின்றன மற்றும் ஒலி பரவுவதற்கு ஏன் ஒரு திட, திரவ அல்லது வாயு போன்ற பருப்பொருள் ஊடகம் அவசியம் தேவைப்படுகிறது என்பதைப் பற்றி மாணவர்கள் கற்றுக்கொள்கிறார்கள். மேலும், ஒலியின் அலைநீளம், அதிர்வெண் மற்றும் திசைவேகம் ஆகியவற்றிற்கு இடையேயான தொடர்பும், ஒலியின் திசைவேகத்தை பாதிக்கும் அடர்த்தி, வெப்பநிலை, அழுத்த மாறுபாடுகள் போன்ற இயற்பியல் காரணிகளும் மிக நுட்பமான அறிவியல் விளக்கங்களுடன் இங்கு விவரிக்கப்படுகின்றன. இதனுடன் ஒலியானது எவ்வாறு காற்றில் பரவும்போது தனது அதிர்வுத் திசையையும் ஆற்றலையும் மாற்றாமல் எல்லையைக் கடந்து செல்கிறது என்பதும் இங்கு தெளிவாக உணர்த்தப்படுகிறது.

பள்ளிப் பொதுத்தேர்வுகளைப் பொறுத்தமட்டில், இப்பாடம் மிக அதிக முக்கியத்துவம் வாய்ந்த பகுதியாகும். இதில் இடம்பெற்றுள்ள எதிரொலிப்பு விதிகள், எதிரொலி கேட்பதற்கான குறைந்தபட்ச தொலைவைக் கணக்கிடும் வழிமுறைகள், மீயொலியின் மருத்துவப் பயன்பாடுகள் மற்றும் தோற்ற அதிர்வெண் மாற்றத்தைக் காட்டும் டாப்ளர் விளைவின் கணிதச் சூத்திரங்கள் ஆகியவை தேர்வில் அடிக்கடி கேட்கப்படும் வினாக்களாகும். எனவே, இந்த அத்தியாயத்தின் அடிப்படைக் கருத்துக்களை மாணவர்கள் மிக ஆழமாகக் கற்றுக்கொள்வது அதிக மதிப்பெண்களைப் பெற மிகவும் உதவும். இந்த அத்தியாயம் மாணவர்களிடம் இயற்பியலின் மீதான ஆர்வத்தைத் தூண்டி, அறிவியல் பூர்வமாக அவர்கள் சிந்திக்கும் திறனை மேம்படுத்துவதை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது.

நீங்கள் கற்பவை

• ஒலி அலைகள் ஊடகத்தில் நெட்டலைகளாக எவ்வாறு பரவுகின்றன என்பதை விளக்குதல்
• அதிர்வெண்ணின் அடிப்படையில் செவியுணர் ஒலி, குற்றொலி மற்றும் மீயொலிகளை வேறுபடுத்துதல்
• திட, திரவ மற்றும் வாயு ஊடகங்களில் ஒலியின் திசைவேக வேறுபாட்டை ஒப்பிடுதல்
• வெப்பநிலை, அடர்த்தி மற்றும் ஈரப்பதம் ஒலியின் திசைவேகத்தை எவ்வாறு பாதிக்கின்றன என்பதை ஆராய்தல்
• அடர்மிகு மற்றும் அடர்குறை ஊடகங்களின் எல்லைகளில் ஒலியின் எதிரொலிப்பு விதிகளை விளக்குதல்
• எதிரொலி கேட்பதற்கான குறைந்தபட்ச தொலைவைக் கணக்கிட்டு டாப்ளர் விளைவை அன்றாட வாழ்வில் பயன்படுத்துதல்

தொடங்குவதற்கு முன்

• அலைகளின் வகைகள், அவற்றின் அலைநீளம் மற்றும் அதிர்வெண் போன்ற ஒன்பதாம் வகுப்பு அடிப்படை கருத்துக்கள்
• அதிர்வுகள் எவ்வாறு அலைகளாக உருவெடுக்கின்றன மற்றும் பரவ ஊடகம் தேவை என்பது பற்றிய புரிதல்

ஒலியியல் — விரிவான விளக்கம்

ஒலியியல் பாடத்தின் முக்கியப் பாடப்பகுதிகள் மற்றும் அவற்றின் விளக்கங்கள்

1. ஒலி அலைகளின் இயல்பும் அதன் வகைப்பாடும்

ஒலி அலைகள் என்பவை ஊடகத்தின் வழியே நெட்டலைகளாக மட்டுமே பரவக் கூடியவையாகும். இதன் பொருள் யாதெனில், ஒலி அலை பரவும் போது அந்த ஊடகத்தில் உள்ள துகள்கள் அலை பரவும் திசையிலேயே முன்னும் பின்னும் அதிர்வுற்று ஆற்றலைக் கடத்துகின்றன. இவ்வாறு அதிர்வுறும்போது அதிக அழுத்தம் மற்றும் அடர்த்தி கொண்ட நெருக்கங்களையும், குறைந்த அழுத்தம் மற்றும் அடர்த்தி கொண்ட தளர்ச்சிகளையும் மாறி மாறி ஏற்படுத்துகின்றன. மனித காதுகளால் கேட்கக்கூடிய ஒலியின் அதிர்வெண் வரம்பானது 20 ஹெர்ட்ஸ் முதல் 20,000 ஹெர்ட்ஸ் வரையிலான செவியுணர் ஒலியாகும். இதற்கு குறைவான அதிர்வெண் கொண்டவை குற்றொலிகள் என்றும், அதிகமான அதிர்வெண் கொண்டவை மீயொலிகள் என்றும் பிரிக்கப்பட்டு அவற்றின் தனித்துவமான இயற்கை நிகழ்வுகளும் பயன்பாடுகளும் ஆராயப்படுகின்றன. செவியுணர் எல்லையைக் கடந்த மீயொலிகளின் அதிர்வெண்கள் மனித செவிகளால் நேரடியாக உணர முடியாதவை என்றாலும், தற்காலத் தொழில்நுட்பங்களில் அவற்றின் பங்களிப்பு மிக முக்கியமானதாகக் கருதப்படுகிறது. எடுத்துக்காட்டாக, கடலின் ஆழத்தை அளவிடப் பயன்படும் சோனார் (SONAR) போன்ற அதிநவீன அமைப்புகளிலும், மனித உடலின் உட்பகுதிகளைப் படம் பிடிக்கப் பயன்படும் மருத்துவத் துறையின் பல்வேறு சாதனங்களிலும் இந்த மீயொலிகள் இன்றியமையாத பங்காற்றுகின்றன.

2. ஒலியின் திசைவேகத்தை பாதிக்கும் காரணிகள்

ஒலியின் திசைவேகம் என்பது ஒரு விநாடி காலத்தில் ஒலி அலையானது ஊடகத்தில் கடந்து செல்லும் தொலைவைக் குறிப்பதாகும். இதனை அலை சமன்பாடான $V = n\lambda$ என்ற வாய்ப்பாட்டின் மூலம் நாம் கண்டறியலாம், இங்கு n என்பது அதிர்வெண்ணையும் $\lambda$ என்பது அதன் அலைநீளத்தையும் குறிக்கிறது. ஊடகத்தின் மீட்சித்தன்மை அதிகமாக இருக்கும் போது ஒலியின் வேகம் அதிகமாக இருக்கும் என்பதால், திடப்பொருட்களில் ஒலியின் வேகம் திரவம் மற்றும் வாயுக்களை விட மிக அதிகமாக உள்ளது. வாயுக்களில் ஒலியின் திசைவேகமானது வெப்பநிலையின் இருமடி மூலத்திற்கு நேர்த்தகவிலும், அடர்த்தியின் இருமடி மூலத்திற்கு எதிர்த்தகவிலும் அமைகிறது. மாறாக, மாறாத வெப்பநிலையில் ஏற்படும் அழுத்த மாறுபாடுகள் ஒலியின் வேகத்தில் எந்தவொரு மாற்றத்தையும் ஏற்படுத்துவதில்லை என்பது முக்கியமான அறிவியல் உண்மைகளில் ஒன்றாகும். காற்றில் ஒலியின் திசைவேகம் பொதுவாக பூஜ்ஜியம் டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 331 மீ/வி ஆகவும், அறை வெப்பநிலையில் அதாவது இருபத்து ஐந்து டிகிரி செல்சியஸில் 344 மீ/வி ஆகவும் இருக்கும். காற்றில் உள்ள நீராவி அல்லது ஈரப்பதம் அதிகரிக்கும் போது ஒலியின் வேகம் மேலும் அதிகரிக்கிறது. இதன் காரணமாகவே வறண்ட காலநிலையை விட மழைக்காலத்திலும் ஈரப்பதம் நிறைந்த இரவுக் நேரங்களிலும் ஒலியானது மிக வேகமாகப் பரவி வெகு தொலைவில் இருப்பவர்களுக்கும் மிகத் தெளிவாகக் கேட்கிறது.

3. ஒலியின் எதிரொலிப்பு மற்றும் எதிரொலியின் விதிகள்

ஒலி அலைகள் தன் பயணப்பாதையில் ஏதேனும் ஒரு தடையை எதிர்கொள்ளும் போது எதிரொலிப்பு விதிகளைப் பின்பற்றி மீண்டும் அதே ஊடகத்தில் எதிரொலிக்கின்றன. அடர்மிகு ஊடகத்தின் எல்லையில் மோதும் போது அலைகளின் கட்டத்தில் 180 டிகிரி மாறுபாடு ஏற்பட்டு நெருக்கங்கள் நெருக்கங்களாகவே எதிரொலிக்கின்றன, ஆனால் அடர்குறை ஊடகத்தின் எல்லையில் மோதும்போது நெருக்கங்கள் தளர்ச்சிகளாக மாறிக் கட்ட மாற்றம் இன்றி எதிரொலிக்கின்றன. ஒரு குறிப்பிட்ட ஒலி மூலத்திலிருந்து வெளிப்படும் ஒலி அலையானது பிரதிபலிக்கும் பரப்பினால் எதிரொலிக்கப்பட்டு மீண்டும் கேட்கும் நிகழ்வே எதிரொலி எனப்படுகிறது. மனித மூளையில் ஒலியின் உணர்வு 0.1 விநாடிக்கு நீடிப்பதால், ஒரு தெளிவான எதிரொலியை நாம் கேட்பதற்கு ஒலி மூலத்திற்கும் எதிரொலிக்கும் பரப்பிற்கும் இடையே காற்றில் குறைந்தபட்சம் 17.2 மீட்டர் தொலைவு இருப்பது அவசியமாகும். எதிரொலியைக் கொண்டு கடலின் ஆழத்தைக் கண்டறியவும், மீயொலி அலைகளை அனுப்பி நீருக்கடியில் உள்ள எதிரிகளை அல்லது பாறைகளைக் கண்டறியவும் முடியும். மேலும், தியேட்டர்கள் மற்றும் கலையரங்குகளில் ஒலியானது சுவர்களில் மோதி மீண்டும் மீண்டும் எதிரொலித்துப் பெரும் இரைச்சலாக மாறாமல் இருப்பதற்காக சுவர்களில் ஒலி உறிஞ்சும் பொருட்கள் பொருத்தப்படுகின்றன.

4. டாப்ளர் விளைவும் அதன் அன்றாடப் பயன்பாடுகளும்

ஒலி மூலத்திற்கும் அதனைக் கேட்கும் கேட்பவருக்கும் இடையே சார்பு இயக்கம் இருக்கும் போது, கேட்பவரால் உணரப்படும் ஒலியின் அதிர்வெண்ணில் உண்மை அதிர்வெண்ணை விட மாற்றம் ஏற்படுகின்ற நிகழ்வு டாப்ளர் விளைவு எனப்படுகிறது. இந்த மாற்றமடைந்த அதிர்வெண் தோற்ற அதிர்வெண் என்று அழைக்கப்படுகிறது. ஒலி மூலமும் கேட்பவரும் ஒருவரையொருவர் நோக்கி நகரும் போது இந்த தோற்ற அதிர்வெண் உண்மை அதிர்வெண்ணை விட அதிகமாக இருக்கும், அதேபோல் அவர்கள் ஒருவரைவிட்டு ஒருவர் விலகிச் செல்லும் போது உண்மை அதிர்வெண்ணை விடக் குறைவாகக் கேட்கும். இந்த டாப்ளர் விளைவானது விண்மீன்கள் மற்றும் செயற்கைக்கோள்களின் திசைவேகத்தைக் கண்டறிவதற்கும், சாலையில் செல்லும் வாகனங்களின் வேகத்தை அளவிடும் ரேடார் கருவிகளிலும், மருத்துவத் துறையில் சோனோகிராபி மூலம் இதயத் துடிப்பைக் கண்காணிப்பதற்கும் பயன்படுகிறது. டாப்ளர் விளைவில் தோற்ற அதிர்வெண்ணிற்கான பொதுவான கணிதச் சமன்பாடு $n' = \frac{v \pm v_L}{v \mp v_s} n$ என எழுதப்படுகிறது, இங்கு $v_L$ என்பது கேட்பவரின் திசைவேகத்தையும், $v_s$ என்பது ஒலி மூலத்தின் திசைவேகத்தையும் குறிக்கும். ஒலி மூலமும் கேட்பவரும் ஒரே திசையில் நகரும் போது அல்லது ஓய்வு நிலையில் இருக்கும் போது தோற்ற அதிர்வெண்களில் ஏற்படும் வேறுபாடுகள் இந்தச் சமன்பாட்டின் மூலம் கணக்கிடப்படுகின்றன.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• ஒலியானது வெற்றிடத்திலும் பரவும் என்று தவறாகக் கருதுதல். ஒலி அலைகள் பரவ காற்று போன்ற பருப்பொருள் ஊடகம் கட்டாயம் தேவை என்பதை நினைவில் கொள்ள வேண்டும்.
• ஒலியின் திசைவேகமானது அழுத்த மாற்றத்தால் பாதிக்கப்படும் என நினைத்தல். வெப்பநிலை மாறாத போது அழுத்தம் ஒலியின் திசைவேகத்தைப் பாதிப்பது இல்லை.
• எதிரொலி கேட்பதற்கான குறைந்தபட்ச தொலைவை எல்லா ஊடகங்களுக்கும் மாறிலி எனக் கருதுதல். ஒலியின் திசைவேகம் மாறும் போது இந்த குறைந்தபட்சத் தொலைவும் மாறும்.
• ஒலி மூலத்தின் உண்மை அதிர்வெண்ணே டாப்ளர் விளைவால் மாறுகிறது என தவறாகப் புரிந்துகொள்ளதல். கேட்பவரால் உணரப்படும் தோற்ற அதிர்வெண் மட்டுமே மாறுகிறது.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

ஒலி அலைகள் பரவ ஏன் ஒரு ஊடகம் தேவைப்படுகிறது?

ஒலி அலைகள் என்பவை நெட்டலைகளாகும், இவை பரவுவதற்கு ஊடகத் துகள்களின் அதிர்வுகள் மிகவும் அவசியமாகிறது. துகள்கள் மோதிக் கொள்வதன் மூலமே ஆற்றல் அடுத்தடுத்துக் கடத்தப்படுகிறது. வெற்றிடத்தில் அதிர்வுகளைக் கடத்த துகள்கள் இல்லாததால் ஒலியால் வெற்றிடத்தின் வழியே பரவ இயலாது. எனவே, ஒலியின் பரவலுக்கு திட, திரவ அல்லது வாயு போன்ற பருப்பொருள் ஊடகம் கட்டாயம் தேவைப்படுகிறது.

குற்வைாலி மற்றும் மீவயாலி ஆகியவற்றிறகு இனடவயயான வேறுபாடுகள் யாவை?

மனித காதுகளால் கேட்க முடியாத 20 ஹெர்ட்ஸிற்கு குறைவான அதிர்வெண் கொண்ட ஒலி அலைகள் குற்றொலிகள் என்று அழைக்கப்படுகின்றன, இவை நிலநடுக்கத்தின் போது உருவாகின்றன. மாறாக, 20,000 ஹெர்ட்ஸிற்கு அதிகமான அதிர்வெண் கொண்ட அலைகள் மீயொலிகள் எனப்படும். மனிதர்களால் மீயொலிகளைக் கேட்க முடியாது என்றாலும் நாய், வௌவால் மற்றும் டால்பின் போன்ற விலங்குகளால் இவற்றை மிக எளிதாக உணர முடியும்.

திடப்வபாருள்களில் ஒலியின வேகம் வாயுக்கனள விட ஏன் அதிகமாக உள்ளது?

ஒலியின் திசைவேகம் அது பயணிக்கும் ஊடகத்தின் மீட்சித்தன்மை மற்றும் அடர்த்தியைப் பொறுத்து மாறுபடுகிறது. திடப்பொருட்களின் மீட்சி குணகம் மிகவும் அதிகமாக இருப்பதால், ஒலியின் வேகம் திடப்பொருட்களில் மிக அதிகமாகவும் வாயுக்களில் மிகக் குறைவாகவும் இருக்கும். காற்றில் ஒலியின் வேகம் சுமார் 344 மீ/வி ஆக இருக்கும் போது, நீரில் அதன் வேகம் 1450 மீ/வி ஆகவும், இரும்பில் 5000 மீ/வி-க்கும் அதிகமாகவும் காணப்படுகிறது.

எதிகரறாலி சகடகத் சதளவயான குள்ந்த்படேத் கதறாள்வு 17.2 மீட்டர் என்பது எவ்வாறு கணக்கிடப்படுகிறது?

மனித காதுகளால் கேட்கப்படும் ஒலியின் உணர்வானது நமது மூளையில் 0.1 விநாடிக்கு நீடிப்பதால், மூல ஒலியும் எதிரொலியும் தனித்தனியாகக் கேட்க வேண்டுமெனில் அவற்றுக்கிடையே குறைந்தது 0.1 விநாடி கால இடைவெளி இருக்க வேண்டும். காற்றில் ஒலியின் வேகம் 344 மீ/வி எனக் கொண்டால், இந்த நேரத்தில் ஒலி அலை சென்று திரும்பக் கடக்கும் மொத்தத் தொலைவு 34.4 மீட்டராகும். இதில் பாதித் தொலைவான 17.2 மீட்டரே குறைந்தபட்சத் தொலைவாகும்.

வாயுக்களில் ஒலியின திளேசவ்கத்னதப் பாதிக்கும் காரைிகள் யாவை?

வாயு ஊடகத்தில் ஒலியின் திசைவேகமானது அதன் வெப்பநிலையின் இருமடி மூலத்திற்கு நேர்த்தகவில் அமைகிறது, எனவே வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது ஒலியின் வேகம் அதிகரிக்கும். மேலும், ஒலியின் வேகம் வாயுவின் அடர்த்தியின இருமடி மூலத்திற்கு எதிர்த்தகவிலும், காற்றில் உள்ள ஈரப்பதத்திற்கு நேர்த்தகவிலும் இருக்கும். ஆனால் மாறாத வெப்பநிலையில் ஏற்படும் அழுத்த மாறுபாடுகள் வாயுக்களில் ஒலியின் திசைவேகத்தை எவ்விதத்திலும் பாதிப்பதில்லை என்பது குறிப்பிடத்தக்கது.

டாப்ைர விளளவு என்றால் என்ன மற்றும் அதன் பயன்கள் யாவை?

ஒலி மூலத்திற்கும் அதனைக் கேட்கும் நபருக்கும் இடையே ஒரு சார்பு இயக்கம் இருக்கும் போது, ஒலியின் அதிர்வெண்ணில் உண்மை அதிர்வெண்ணை விட ஒரு தற்காலிகத் தோற்ற மாற்றம் ஏற்படும் நிகழ்வே டாப்ளர் விளைவு எனப்படும். இந்த விளைவானது போக்குவரத்துத் துறையில் அதிவேகமாகச் செல்லும் வாகனங்களைக் கண்டறியவும், வானியல் துறையில் விண்மீன்களின் இயக்கத்தைக் கண்காணிக்கவும் மற்றும் மருத்துவத்தில் உடலின் இரத்த ஓட்டத்தை அளவிடவும் பயன்படுகிறது.