علت سوت کشیدن کتری کشف شد

بعد از یک روز کاری طولانی می‌خواهید با نوشیدن یک لیوان چای خستگی روزانه را از خود دور کنید. کتری را روی اجاق گذاشته و در انتظار شنیدن صدای آشنایی که نویدبخش نوشیدنی گرم مورد علاقه‌تان است، لحظه شماری می‌کنید. اما آیا تا به حال در مورد علت واقعی سوت‌کشیدن کتری به هنگام جوشیدن آب فکر کرده‌اید و یا شاید خودتان حدس‌هایی در این مورد زده باشید. آیا هیچ تصور می‌کردید این مسئله که شاید در نظر ما چندان هم حائز اهمیت نباشد، رازی است که ده‌ها سال ذهن دانشمندان را به خود مشغول داشته است؟

بله این مورد واقعیت دارد و سرانجام دانشمندان موفق شدند پرده از این موضوع بردارند. آن‌ها ادعا می‌کنند توانسته‌اند این راز صد ساله و نیز راه خلاصی از آن را کشف کنند.

بر اساس یافته‌های دو محقق دانشگاه کمبریج، اکنون می‌توان به مهندسان در متوقف ساختن سوت و سروصداهای ناخواسته و مزاحم تولیدشده در مواردی همچون نقص لوله‌کشی منازل و یا اگزوز ماشین‌های آسیب دیده کمک نمود.

راس هنری وود از دپارتمان مهندسی چنین می‌گوید:

تلاش‌های ما سرانجام مشخص کرد در وضعیت‌هایی مشابه که جریانی از هوا وجود داشته و باعث ایجاد سروصدای ناخواسته می‌شود واقعا چه روی می‌دهد.

لوله‌های کار گذاشته شده در منازل و همینطور اگزوز ماشین، مثال‌های کلاسیکی در این مورد هستند. یک‌بار که مشخص کنیم این صدا چگونه به وجود آمده و چه عاملی باعث پدید آمدن آن می‌گردد برای همیشه می‌توانیم از شر آن خلاص شویم.

هنری وود که این تحقیق را به عنوان بخشی از درجه مهندسیش به انجام رساند به همراهی استاد راهنمایش دکتر آنوراگ آگاروال توانستند نشان دهند چگونه این صدای سوت وقتی که بخار آب به سمت دهانه کتری بالا می‌آید ایجاد می‌شود. علاوه بر این آن‌ دو توانستند به دقت دو مکانیسم رخ داده را به صورت جداگانه مشخص کنند که تنها اثرشان ایجاد صدا به تنهایی نمی‌باشد ولی عامل اصلی سوت زدن کتری همین دو مکانیسم هستند. این درست شبیه به وضعیتی است که ممکن است در دیگر وسایل خانه نیز دیده شود چیزی شبیه به صدای سشوارهای دستی.

سوت کتری از دو لایه تشکیل شده که نزدیک به هم قرار گرفته‌اند. یک حفره نیز حد فاصل بین این دو ورقه به وجود آمده است. هر دو لایه استفاده شده در قسمت میانی‌شان دارای سوراخ کوچکی می‌باشند که به بخار اجازه عبور از این قسمت و خروج از کتری را می‌دهد.

اگرچه عامل ایجاد صدای سوت کتری لرزش‌ها و نوسانات ایجادشده توسط بخار آبی است که می‌خواهد از دهانه کتری خارج شود اما ده‌ها سال است که دانشمندان در تلاشند دریابند در طول این فرآیند چه چیزی باعث ایجاد این صدای سوت مانند می‌گردد.

هنری وود و آگاروال تعدادی از این سوت سوتک‌ها را که از نظر ظاهری با یکدیگر اختلافاتی جزئی داشتند انتخاب کرده و سپس آن‌ها را در محیطی خاص مورد آزمایش قرار دادند. در این محیط جریان هوا را با سرعت‌های مختلفی از میان این سوت‌ها عبور داده شده و صداهایی که توسط هر کدام تولید می‌شد ثبت گردید. این آزمایش به آنان امکان داد طرحی از دامنه‌ها و فرکانس‌های ناشی از صوت را رسم کرده سپس این داده‌ها را آنالیز و بررسی نموده و روند تغییرات را مشخص کنند.

در آخر آن‌ها از یک تکنیک دو میکروفونی استفاده کردند تا فرکانس‌های درون دهانه کتری را مشخص کنند.

نتایج تحقیقات آن‌ها نشان داد چیزی بالاتر از سرعت جریان بخار در ایجاد این صدا نقش دارد. در اصل این صدا از پیچش‌ها و گردابه‌های کوچک بخار تولید می‌شود. این جریان‌های پیچشی و چرخشی در فرکانس‌های خاصی قادر به ایجاد صدا هستند.

وقتی که بخار به سمت دهانه کتری بالا می‌آید با سوراخ لایه زیرین سوت که در ابتدای کتری قرار دارد مواجه می‌گردد که به مراتب از دهانه کتری باریک‌تر است. این امر باعث درهم فشردن بخار آبی می‌شود که ناگزیر است از درون این سوراخ کوچک عبور کند. این انقباض جریان بخار باعث ایجاد جریانی پرفشار و فواره مانند شده که در این قسمت به جریان می‌افتد. این فواره بخاری ذاتا ناپایدار است. در نتیجه درست همانند فواره‌ پارک‌ها که وقتی به ارتفاع مشخصی می‌رسند شکسته شده و به پایین سرازیر می‌گردند این فواره بخار نیز وقتی به انتهای قسمت سوت کتری می‌رسد دیگر به شکل یک ستون منسجم و یکپارچه نبوده و دچار آشفتگی و تغییرات جزئی می‌شود. این جریان متزلزل قادر نیست به طور کامل از سوراخ قسمت فوقانی سوت کتری خارج شود در نتیجه به لایه و دیواره فوقانی سوت ضربه می‌زند و باعث ایجاد فشار ضربان‌داری در این ناحیه می‌شود. این تپش‌ها باعث‌ شده بخار به صورت گردابه‌های کوچکی در آمده و از دهانه کتری خارج شود. این گردابه‌ها باعث ایجاد امواج صوتی می‌شوند و در نتیجه صدای آرامش بخشی را که قبل از نوشیدن یک فنجای چای می‌شنویم ایجاد می‌کنند.

هنری وود و آگاروال همچنین توضیح می‌دهند چرا این فرآیند بیشتر از تولید هر صدای دیگری موجب ایجاد صدایی سوت مانند می‌شود. مکانیسمی که درست شبیه به صدای تولید شده توسط یک فلوت یا یک ارگ لوله‌ای است.

فرکانس‌هایی خاص بر سایر امواج صوتی برتری دارند. نت حاصله توسط اندازه و شکل دهانه و همینطور طول دهنی تعیین می‌شود. دهانه‌های بلندتر نت‌های پایین‌تری ایجاد می‌کنند.

همچنین محققان ما متوجه شدند که چرا صدای سوت قبل از به جوش آمدن کامل آب متفاوت است. درست زمانی که آب شروع به جوشیدن کرد آن‌ها مکانیسمی کاملا متفاوت را کشف کردند که خود ایجاد صدا می‌کرد. تفاوت در این جا بود که درجه این صدا در این مرحله روی یک فرکانس ثابت قرار داشت.

وود می‌گوید

این فرکانس ثابت، پشت سر هم بود و اصلا آن‌چیزی نبود که ما انتظار دیدنش را داشتیم. سرانجام ما سرعت بخار را پایین آوردیم و آن‌وقت سوت سوتک شبیه به اسباب ارتعاش هلمهولتز( نظریه ارتعاشی شنوایی که میگوید صداهای مداوم و همگون را میتوان به عناصر هماهنگ تجزیه نمود) عمل کرد. مکانیسمی درست شبیه به زمانی که شما در یک بطری خالی می‌دمید. وقتی هوا به درون دهانه یک بطری دمیده می‌شود ارتعاش هلمهولتز سبب ایجاد صدا از دهانه می‌گردد. هوای درون گلوگاه بطری به سمت بالا و پایین می‌جهد ولی در قسمت بدنه بطری هوا همانند یک فنر در هر لحظه فشرده شده و آزاد می‌شود.

در کتری فنر همان هوایی است که داخل سوت کتری قرار گرفته و وقتی که این هوا از دهانه سوت خارج می‌شود طنین انداخته، صدایی همانند صدای تولید شده از دهانه بطری یا حتی شبیه به سوت زدن توسط دهان ایجاد می‌کند.

در بعضی از کتری‌ها هر دو این مکانیسم‌ها صورت می‌گیرد. بدلیل تحقیقات صورت گرفته و آشنایی با مکانیسم عمل این رویداد اکنون ما این توانایی را داریم که در صورت تمایل این صدا را تعدیل کرده یا حتی آن‌را متوقف کنیم.

این دو محقق در حال حاضر سرگرم کار روی پروژه ساخت سشوارهای دستی بی سر و صداتر هستند. آن‌ها در حال بررسی شکل فواره‌های هوایی هستند که توسط این ابزارها تولید و ایجاد صدا می‌کنند.

حالا که از علت واقعی این سوت‌ها آگاهی یافتید وقت آن است که با نوشیدن یک چای گرم خستگی روزانه‌تان را فراموش کنید.