আপনি সম্ভবত লক্ষ্য করেছেন যে ঝড়ের সময়, প্রথমে যা দেখা যায় তা হলো আলোর ঝলকানি—বজ্রপাত—এবং তারপরে বজ্রপাতের শব্দ। এর কারণ হলো শব্দের গতি । বিজ্ঞানীরা বাতাসের মধ্য দিয়ে শব্দ সর্বোচ্চ কত গতিতে যেতে পারে তা আবিষ্কার করেছেন। পদার্থবিজ্ঞানে এটি বেশ গুরুত্বপূর্ণ। আপনি " বজ্রপাত সম্পর্কে আপনার যা জানা দরকার " শীর্ষক নিবন্ধটিতে এই ঘটনাটি সম্পর্কে আরও জানতে পারবেন ।
অতএব, আমরা এই নিবন্ধটি আপনাকে শব্দের গতি এবং এটি কীভাবে ভ্রমণ করে সে সম্পর্কে আপনার যা জানা দরকার তা বলার জন্য উৎসর্গ করতে যাচ্ছি।
শব্দ গতি
একটি শব্দ তরঙ্গ যে গতিতে সঞ্চারিত হয়, তা নির্ভর করে এটি যে মাধ্যমের মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে তার বৈশিষ্ট্যের উপর, তরঙ্গটির নিজের বা যে শক্তি এটিকে উৎপন্ন করে তার বৈশিষ্ট্যের উপর নয়। শব্দ সঞ্চালনের এই গতিকে শব্দের গতিও বলা হয়। পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলে, ২০° সেলসিয়াস তাপমাত্রায়, শব্দের গতি প্রতি সেকেন্ডে ৩৪৩ মিটার। এটি যে মাধ্যমের মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে তার সাথে শব্দের গতি পরিবর্তিত হয়, এবং এটি কীভাবে সঞ্চারিত হয় তা বুঝতে পারলে আমরা মাধ্যমের কিছু নির্দিষ্ট বৈশিষ্ট্য আরও ভালোভাবে বুঝতে পারি। যখন সঞ্চালন মাধ্যমের তাপমাত্রা পরিবর্তিত হয়, তখন শব্দের গতিও পরিবর্তিত হয়। এর কারণ হলো, তাপমাত্রা বৃদ্ধি পেলে কম্পন বহনকারী কণাগুলোর মধ্যে পারস্পরিক ক্রিয়ার হার বেড়ে যায়, যার ফলে তরঙ্গের গতি বৃদ্ধি পায়।
সাধারণভাবে বলতে গেলে, কঠিন পদার্থে শব্দের গতি তরল পদার্থের চেয়ে বেশি এবং তরল পদার্থে শব্দের গতি গ্যাসীয় পদার্থের চেয়ে বেশি। এর কারণ হলো, কঠিন পদার্থের পরিমাণ যত বেশি হয়, পারমাণবিক বন্ধনের সংহতির মাত্রাও তত বেশি হয়, যা শব্দ তরঙ্গের বিস্তারে সহায়ক হয়। আপনি যদি এই বিষয়ে আরও জানতে চান, তাহলে শব্দ প্রতিবন্ধক (sound barrier) সম্পর্কিত আমাদের নিবন্ধটি দেখতে পারেন ।
শব্দের সঞ্চালনের গতি প্রধানত নির্ভর করে সেই মাধ্যমের স্থিতিস্থাপকতার উপর, যার মধ্য দিয়ে এটি ভ্রমণ করে। স্থিতিস্থাপকতা বলতে বোঝায় নিজের আদি আকৃতিতে ফিরে আসার ক্ষমতা।
শব্দ কি
শব্দ হলো একটি চাপ তরঙ্গ যা বায়ুর সংকোচন ও অবনমনের মাধ্যমে সঞ্চারিত হতে পারে। আমাদের চারপাশে আমরা যে শব্দ উপলব্ধি করি, তা মূলত কম্পনের ফলে উৎপন্ন শক্তি যা বায়ু বা অন্য কোনো মাধ্যমের মধ্য দিয়ে সঞ্চারিত হয় এবং মানুষের কানে পৌঁছালে তা গ্রহণ ও শ্রবণ করা যায়। আমরা জানি যে শব্দ তরঙ্গাকারে ভ্রমণ করে।
তরঙ্গ হলো কোনো মাধ্যমের কম্পনজনিত আলোড়ন, যা দুটি বিন্দুর মধ্যে সরাসরি সংস্পর্শ ছাড়াই এক বিন্দু থেকে অন্য বিন্দুতে শক্তি স্থানান্তর করে। আমরা বলতে পারি যে, তরঙ্গ যে মাধ্যমের মধ্য দিয়ে যায়, সেই মাধ্যমের কণাগুলোর কম্পনের ফলেই তরঙ্গের সৃষ্টি হয়; অর্থাৎ, এটি হলো বায়ু অণুগুলোর অনুদৈর্ঘ্য সরণের (সঞ্চালনের দিকে) সাথে সঙ্গতিপূর্ণ একটি সঞ্চালন প্রক্রিয়া। সর্বাধিক সরণ সেখানেই ঘটে যেখানে চাপের পরিবর্তনের বিস্তার শূন্য হয় এবং এর বিপরীতটিও সত্য।
একটি স্পিকারে শব্দ
একটি নলের এক প্রান্তে লাউডস্পিকার এবং অন্য প্রান্তে বদ্ধ মুখ থাকলে, নলের ভেতরের বাতাস তরঙ্গাকারে কম্পিত হয়। এটি অনুদৈর্ঘ্যভাবে স্থির। এই বৈশিষ্ট্যযুক্ত নলের স্বাভাবিক কম্পন মোডগুলো একটি সাইনুসয়েডাল তরঙ্গের অনুরূপ, যার তরঙ্গদৈর্ঘ্য এমন যে এতে একটি শূন্য বিস্তার বিন্দু থাকে। নির্গমন নোডটি লাউডস্পিকারের প্রান্তে এবং নলের বদ্ধ প্রান্তে অবস্থিত, কারণ যথাক্রমে লাউডস্পিকার এবং নলের প্রান্ত-ঢাকনার কারণে বাতাস অবাধে চলাচল করতে পারে না। এই নোডগুলোতে, স্থির তরঙ্গের সর্বোচ্চ চাপ পরিবর্তন, অর্থাৎ একটি অ্যান্টিনোড বা প্রতি-নোড থাকে।
বিভিন্ন মিডিয়ায় শব্দের গতি
শব্দ তরঙ্গ যে মাধ্যমের মধ্য দিয়ে সঞ্চারিত হয়, তার উপর নির্ভর করে শব্দের গতি পরিবর্তিত হয়। এটি মাধ্যমের তাপমাত্রার সাথেও পরিবর্তিত হয়। এর কারণ হলো, তাপমাত্রা বৃদ্ধি পেলে কম্পনশীল কণাগুলোর মধ্যে পারস্পরিক ক্রিয়ার হার বেড়ে যায় এবং এই ক্রিয়ার বৃদ্ধি শব্দের গতি বাড়িয়ে দেয়। এই ঘটনাটি মহাকাশে শব্দের সঞ্চালনের সাথে সরাসরি সম্পর্কিত ।
উদাহরণস্বরূপ, শব্দ বরফের মধ্যে দিয়ে অনেক দূর পর্যন্ত যেতে পারে। এর কারণ হলো বরফের নিচে আলোর প্রতিসরণ, কারণ বরফ একটি সমসত্ত্ব মাধ্যম নয়। বরফের প্রতিটি স্তরের তাপমাত্রা ভিন্ন ভিন্ন হয় । বরফের গভীর স্তরগুলো, যেখানে সূর্যের আলো পৌঁছাতে পারে না, সেগুলো উপরিভাগের চেয়ে বেশি ঠান্ডা। মাটির কাছাকাছি এই ঠান্ডা স্তরগুলোতে শব্দের সঞ্চালনের গতি কম হয়।
সাধারণভাবে বলতে গেলে, তরলের চেয়ে কঠিন পদার্থে এবং গ্যাসের চেয়ে তরলে শব্দের গতি বেশি। এর কারণ হলো, পারমাণবিক বা আণবিক বন্ধনের সংহতি যত বেশি হয়, পদার্থটি তত শক্তিশালী হয়। বাতাসে (২০° সেলসিয়াস তাপমাত্রায়) শব্দের গতি হলো ৩৪৩.২ মিটার/সেকেন্ড।
আসুন কিছু মিডিয়াতে শব্দের গতি দেখি:
- বাতাসে, 0 ডিগ্রি সেলসিয়াসে, শব্দ 331 মি / সেকেন্ড গতিতে ভ্রমণ করে (প্রতি ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়, শব্দের গতি 0,6 মি / সেকেন্ড বৃদ্ধি পায়)।
- পানিতে (25 ডিগ্রি সেন্টিগ্রেডে) এটি 1593 মি / সেকেন্ড।
- টিস্যুতে এটি 1540 মি / সেকেন্ড।
- কাঠের মধ্যে এটি 3700 মি / সেকেন্ড।
- কংক্রিটে এটি 4000 মি / সেকেন্ড।
- ইস্পাতে এটি 6100 মি / সেকেন্ড।
- অ্যালুমিনিয়ামে এটি 6400 মি / সেকেন্ড।
- ক্যাডমিয়ামে এটি 12400 মি / সেকেন্ড।
একটি রেসিপ্রোকেটিং ইঞ্জিনের ম্যানিফোল্ডে রেজোন্যান্স অধ্যয়নের ক্ষেত্রে চাপ তরঙ্গের প্রসারণের গতি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ এবং এটি পারিপার্শ্বিক বৈশিষ্ট্যের উপর নির্ভর করে। উদাহরণস্বরূপ, গ্যাসের ক্ষেত্রে, ইনটেক ম্যানিফোল্ডের বাষ্পীভূত মিশ্রণ বা এক্সহস্ট ম্যানিফোল্ডের দগ্ধ গ্যাসের গতি তাদের ঘনত্ব এবং চাপের উপর নির্ভর করে। শব্দের গতি এবং চাপ গ্রেডিয়েন্টের মধ্যে একটি গুরুত্বপূর্ণ সম্পর্ক রয়েছে ।
তরঙ্গ প্রচারের ধরন
দুটি ধরণের তরঙ্গ রয়েছে: অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ এবং বিপরীত তরঙ্গ।
- অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ: তরঙ্গ যার মধ্যে একটি মাধ্যমের কণা তরঙ্গের মতো একই দিকে এক পাশ থেকে অন্য দিকে কম্পন করে। মাধ্যম কঠিন, তরল বা বায়বীয় হতে পারে। অতএব, শব্দ তরঙ্গ অনুদৈর্ঘ্য তরঙ্গ।
- ট্রান্সভার্স ওয়েভ: তরঙ্গ যেখানে মাঝারি কণা তরঙ্গের গতিবিধির দিকে "সমকোণে" উপরে এবং নিচে কম্পন করে। এই তরঙ্গগুলি কেবল কঠিন পদার্থ এবং তরল পদার্থে প্রদর্শিত হয়, গ্যাস নয়।
কিন্তু মনে রাখবেন যে তরঙ্গগুলি সব দিক দিয়ে ভ্রমণ করে, তাই তাদের একটি গোলকের মধ্য দিয়ে যাওয়ার মতো মনে করা সহজ।
আমি আশা করি এই তথ্যের মাধ্যমে আপনি শব্দের গতি এবং এর বৈশিষ্ট্য সম্পর্কে আরও জানতে পারবেন।