Περιπέτειες με τη συχνότητα … μια προσπάθεια εκλαΐκευσης

Ένας σημαντικός ρόλος που πρέπει να επιτελεί το σχολείο είναι να εφοδιάζει τον αυριανό πολίτη με ένα σύνολο ελάχιστων γνώσεων που είναι αναγκαίες για την κατανόηση του φυσικού και του τεχνητού κόσμου μέσα στον οποίο ζει. Κάποιες από αυτές τις γνώσεις είναι κρίσιμες για τη ζωή του, όπως για παράδειγμα τι μπορεί να προκαλέσει το μονοξείδιο του άνθρακα και πότε αυτό παράγεται, ενώ κάποιες άλλες του δίνουν την ευκαιρία να μπορεί να διαβάσει ένα εκλαϊκευμένο άρθρο και να κατανοήσει διάφορες πτυχές του τεχνολογικού κόσμου που τον περιβάλλει. Για παράδειγμα, η ραδιενέργεια είναι ένα είδος (κακής) ακτινοβολίας που εκπέμπεται από συγκεκριμένα χημικά στοιχεία και σε καμία περίπτωση δεν εκπέμπεται από τα κινητά μας τηλέφωνα.

Πόσους ανθρώπους έχετε ακούσει να λένε ότι τα κινητά τηλέφωνα εκπέμπουν ραδιενέργεια;
(Παρεμπιπτόντως στο ελληνικό σχολείο δυστυχώς δεν διδάσκεται τι είναι η ραδιενέργεια, οπότε αναμένεται να ενταθεί το φαινόμενο!! Για να μάθετε περισσότερα για το τι ακριβώς εκπέμπουν τα κινητά τηλέφωνα πατήστε εδώ).

Η ραδιενέργεια είναι ένα είδος (κακής) ακτινοβολίας που εκπέμπεται από συγκεκριμένα χημικά στοιχεία και σε καμία περίπτωση δεν εκπέμπεται από τα κινητά μας τηλέφωνα.

Παράδειγμα βασικής γνώσης που είναι καλό να γνωρίζει ένας μαθητής ο οποίος τελειώνει το σχολείο είναι η έννοια της συχνότητας. H συχνότητα (που συμβολίζεται με το γράμμα f από το αγγλικό frequency), έχει ιδιαίτερη αξία για τα φαινόμενα που εξελίσσονται επαναλαμβανόμενα και απαντά στην ερώτηση πόσο συχνά συμβαίνει το φαινόμενο που μελετάμε. Για παράδειγμα, αν θέλουμε να μελετήσουμε τον ερχομό του ταχυδρόμου στο σπίτι μας, και παρατηρήσουμε ότι κάθε μήνα έρχεται 20 φορές, τότε η συχνότητα με την οποία έρχεται ο ταχυδρόμος στο σπίτι μας υπολογίζεται αν διαιρέσουμε τις φορές που έρχεται ο ταχυδρόμος (Ν = 20) προς τη χρονική διάρκεια της παρατήρησης (Δt = 1 μήνας). Έτσι, ευκαιρία είναι να μάθουμε και το μαθηματικό τύπο της συχνότητας: .

Πολλά φαινόμενα είναι πολύ πιο συχνά επαναλαμβανόμενα από 20 φορές ανά ένα μήνα. Υπάρχουν φαινόμενα που επαναλαμβάνονται πολλές χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο. Έτσι, αν χρησιμοποιούμε ως χρόνο παρατήρησης το 1 δευτερόλεπτο, τότε βρίσκουμε τη συχνότητα επανάληψης του φαινομένου ανά δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, το κινητό μας τηλέφωνο εκπέμπει ένα είδος ακτινοβολίας που επαναλαμβάνεται με συχνότητα 1.800.000.000 φορές ανά δευτερόλεπτο, ενώ ο φούρνος μικροκυμάτων που έχουμε στην κουζίνα ψήνει το κοτόπουλο με ένα είδος ακτινοβολίας που επαναλαμβάνεται με συχνότητα 2.450.000.000 φορές το δευτερόλεπτο. Στην περίπτωση που η χρονική διάρκεια παρατήρησης είναι το 1 δευτερόλεπτο, τότε η έκφραση «φορές ανά δευτερόλεπτο» αντικαθίσταται από τη λέξη Χέρτζ (συντομογραφικά Hz). Έτσι, η ακτινοβολία που εκπέμπει το κινητό μας τηλέφωνο έχει συχνότητα 1.800.000.000 φορές ανά δευτερόλεπτο = 1.800.000.000 Ηz.

Η συχνότητα είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στις ταλαντώσεις και στα κύματα. Το κύμα είναι ένα είδος διαταραχής που διαδίδεται στο χώρο και μεταφέρει ενέργεια από ένα σημείο σε ένα άλλο.
Ένα είδος κυμάτων είναι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα τα οποία έχουν την ιδιότητα να διαδίδονται και στο κενό, δηλαδή σε χώρο που δεν υπάρχει αέρας ή κάποιο άλλο υλικό μέσο. Τo μάτι μας είναι ένα όργανο που έχει εξελιχθεί να λαμβάνει ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητες από 430.000.000.000.000 Ηz έως 770.000.000.000.000 Hz. Επίσης, ηλεκτρομαγνητικά κύματα εκπέμπει το κινητό μας αλλά και ο φούρνος μικροκυμάτων όταν ψήνει το κοτόπουλο. Τα ηλεκτρομαγνητικά αυτά κύματα όμως δεν τα βλέπουμε αφού η συχνότητά τους είναι έξω από τις δυνατότητες των ματιών μας.

Ηχητικά κύματα και συχνότητα

Τα ηχητικά κύματα είναι ένα άλλο είδος κυμάτων τα οποία διαδίδονται μόνο εφόσον υπάρχει ύλη που γεμίζει το χώρο διάδοσης. Με άλλα λόγια τα ηχητικά κύματα δεν διαδίδονται στο κενό. Αν μπορούσες να σταθείς στο διάστημα χωρίς στολή και προσπαθούσες να φωνάξεις, τότε δε θα έβγαζες καθόλου ήχο!
Όταν μιλάμε ή τραγουδάμε δημιουργούμε ηχητικά κύματα τα οποία διαδίδονται στο χώρο γύρω μας μεταφέροντας ηχητική ενέργεια. Τα ηχητικά κύματα τα λαμβάνουμε με το αυτί μας, ένα όργανο που έχει εξελιχθεί να λαμβάνει ηχητικά κύματα με συχνότητες από 20 Ηz έως 20.000 Hz. Τα ηχητικά κύματα με συχνότητες μικρότερες από 20 Hz ονομάζονται υπόηχα κύματα, ενώ αυτά με συχνότητες μεγαλύτερες των 20.000 Ηz ονομάζονται υπέρηχα κύματα. Η χρήση των υπέρηχων κυμάτων στην ιατρική για την απεικόνιση συγκεκριμένων τμημάτων του σώματος είναι ιδιαίτερα σημαντική και πολύ διαδεδομένη. Την επόμενη φορά που θα πάτε στο γιατρό για να κάνετε έναν υπέρηχο, θυμηθείτε ότι σας διαπερνούν ηχητικά κύματα που δεν τα ακούτε!

Η χρήση των υπερήχων κυμάτων στην ιατρική για την απεικόνιση συγκεκριμένων τμημάτων του σώματος είναι ιδιαίτερα σημαντική και πολύ διαδεδομένη.

Τα ηχητικά κύματα εξαναγκάζουν το τύμπανο του αυτιού μας να ταλαντώνεται με τη συχνότητα  του ηχητικού κύματος που λαμβάνει και αυτή η συχνότητα αποκωδικοποιείται  στη συνέχεια από τον εγκέφαλο. Το πρόβλημα είναι ότι η ικανότητα της αποκωδικοποίησης των υψηλών συχνοτήτων από τον εγκέφαλο χάνεται προοδευτικά με την αύξηση της ηλικίας. Δηλαδή οι οξύτεροι ήχοι (αυτοί που έχουν μεγαλύτερη συχνότητα) είναι πιο δύσκολο να ακουστούν όσο η ηλικία μας αυξάνεται.
Mπορείτε να κάνετε ένα τεστ για να διαπιστώσετε μεταξύ ποιων συχνοτήτων βρίσκεται η ακουστική σας ικανότητα. Ξεκινήστε το επόμενο βίντεο βάζοντας αρκετά ψηλά την ένταση του ήχου και προσπαθήστε να καταγράψετε την ελάχιστη και τη μέγιστη συχνότητα που ακούτε ήχο. Η μέγιστη συχνότητα που ακούτε εξαρτάται από την ηλικία σας αλλά και από το πόσο έχετε ταλαιπωρήσει τα τύμπανά σας!!

Το γεγονός ότι πιθανά δεν ακούτε τις υψηλές συχνότητες εξηγεί και το ότι πιθανά δεν ακούτε και το κουνούπι που μπορεί να σας πλησιάζει αυτή τη στιγμή, μιας και το πέταγμά του δημιουργεί έναν ήχο συχνότητας 17.400 Hz. Την έλλειψη δυνατότητας των μεγαλύτερων σε ηλικία ανθρώπων να ακούνε ήχους υψηλής συχνότητας θα μπορούσε να εκμεταλλευτεί ένας έφηβος ενεργοποιώντας στο κινητό του ένα ringtone με τον ήχο του κουνουπιού για τα μηνύματα που λαμβάνει ή για τις κλήσεις που δέχεται. Κάθε φορά που θα λαμβάνει ένα μήνυμα ή θα δέχεται μια κλήση αυτός και οι υπόλοιποι έφηβοι θα ακούνε το ringtone κάτι που δε θα συμβαίνει με τους ανθρώπους μεγαλύτερης ηλικίας (πχ τους καθηγητές του).
Υπάρχει τέτοιο ringtone; Μα φυσικά, και μπορείτε να το κατεβάσετε από εδώ.

“Λώρελ” και “Γιάννη”

Η διαφορετική ικανότητα να ακούμε ήχους οδηγεί και σε διαφορετική ικανότητα να αντιλαμβανόμαστε καταστάσεις στις οποίες συνδυάζονται διάφοροι ήχοι. Για παράδειγμα πρόσφατα κυκλοφόρησε στο διαδίκτυο ένα ηχητικό δείγμα στο οποίο ακούγεται να αναφέρεται ένα όνομα. Όμως κάποιοι άνθρωποι ακούνε το όνομα «Λώρελ» (Laurel), ενώ κάποιοι άλλοι ακούνε το όνομα «Γιάννη» (Yanny). Aκούστε το ηχητικό δείγμα και ψηφίστε στο γκάλοπ αμέσως μετά ποιο όνομα ακούσατε.

 Loading ...

Κάποιοι άκουσαν το όνομα «Λώρελ», ενώ κάποιοι άλλοι το όνομα «Γιάννη». Επειδή το όνομα «Λώρελ» χρησιμοποιεί περισσότερο χαμηλές συχνότητες, ενώ το όνομα «Γιάννη» περισσότερο υψηλές συχνότητες, αυτοί που έχουν πρόβλημα με τις υψηλές συχνότητες είναι πιο πιθανό να ακούσουν «Λώρελ» απ’ ότι «Γιάννη». Δε συμβαίνει όμως και το αντίστροφο. Με άλλα λόγια το όνομα «Λώρελ» μπορεί να το ακούν και νεαρά άτομα, χωρίς δηλαδή να έχουν κάποιο πρόβλημα στο να ακούν υψηλότερες συχνότητες. Φυσικά, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που μπορεί να συνεισφέρουν στο ποιο από τα δύο ονόματα «ακούει» ο εγκέφαλος, ο οποίος να σημειώσουμε ότι έχει την τάση να «παίρνει θέση» στις περιπτώσεις που υπάρχουν διφορούμενα ερεθίσματα. Η «θέση» που παίρνει ο εγκέφαλός μας εξαρτάται συνήθως από τις πρότερες εμπειρίες μας.

Περισσότερα παιχνίδια με τη συχνότητα…

Η περιπέτεια της συχνότητας και των ακουστικών ερεθισμάτων δε σταματάει εδώ. Έχετε ακούσει ποτέ τη φωνή σας ηχογραφημένη; Αν ναι, τότε αναλογιστείτε αν η ηχογραφημένη σας φωνή που ακούτε έχει την ίδια χροιά με τη φωνή που νιώθετε ότι βγάζετε όταν μιλάτε. Συνήθως την ηχογραφημένη φωνή μας την ακούμε πιο λεπτή, χωρίς βάθος και ζεστασιά και αυτό δε μας αρέσει. Γιατί όμως υπάρχει αυτή η διαφορά;

Και εδώ παίζονται επίσης παιχνίδια με τη συχνότητα!!
Όταν ακούμε τη φωνή μας ηχογραφημένη, τότε ακούμε τον ήχο της που φτάνει στα αυτιά μας ακολουθώντας μόνο μια διαδρομή, αυτή, από τη συσκευή αναπαραγωγής στα αυτιά μας, μέσω του αέρα.
Αντίθετα, όταν μιλάμε ή τραγουδάμε η φωνή μας φτάνει στα αυτιά μας μέσω δύο διαδρομών. Η πρώτη είναι από το στόμα μέχρι τα αυτιά μας μέσω του αέρα, ενώ η δεύτερη είναι η διαδρομή που ακολουθεί η φωνή μας μέσα από τα οστά του κρανίου μας. Εξαιτίας αυτής της δεύτερης διαδρομής στην φωνή που ακούμε προστίθενται χαμηλές συχνότητες με αποτέλεσμα η φωνή μας να ακούγεται σε εμάς πιο βαθιά και ζεστή. Για να βιώσετε τη φωνή που μεταδίδεται στα αυτιά σας μέσω των οστών του κρανίου σας κλείστε τα αυτιά σας με τα δάκτυλά σας και μιλήστε. Θα ακούσετε σίγουρα μια πιο ζεστή φωνή που φτάνει στα αυτιά σας μέσω της εσωτερικής οδού του κρανίου.

Όταν μιλάμε ή τραγουδάμε ακούμε τη φωνή μας που φτάνει στα αυτιά μας μέσω δύο διαδρομών. Η πρώτη είναι η διαδρομή που ακολουθεί από το στόμα μας στα αυτιά μας μέσω του αέρα. Η δεύτερη διαδρομή είναι η διαδρομή που ακολουθεί μέσα από τα οστά του κρανίου μας.

Αν θέλετε να μάθετε περισσότερα για τον ήχο μπορείτε να δείτε το επόμενο βίντεο από το κανάλι της «καθημερινής φυσικής», μία εξαιρετική προσπάθεια για τη διάδοση της επιστήμης που έχει επαφή με την καθημερινότητα!

Σημεία των καιρών…

Όπως είδαμε με τα προηγούμενα δύο παραδείγματα, η συχνότητα είναι ένα πολύ ενδιαφέρον μέγεθος. Η γνώση της σημασίας της μπορεί να μας δώσει τη δυνατότητα να κατανοήσουμε διάφορα φαινόμενα που συμβαίνουν γύρω μας. Αυτή είναι άλλωστε η αποστολή της Φυσικής. Να δημιουργεί τα κατάλληλα νοητικά εργαλεία που θα δώσουν στον άνθρωπο τη δυνατότητα να μπορεί να ερμηνεύει αυτά που συμβαίνουν γύρω του. Στην εποχή της τεχνολογίας που ζούμε οι βασικές γνώσεις που παρέχουν στον άνθρωπο οι φυσικές επιστήμες είναι ιδιαίτερα χρήσιμες και αναγκαίες. Σε μια τέτοια εποχή λοιπόν θα ήταν ιστορικό λάθος να απεμπολήσουμε τη γνώση αυτή μειώνοντας και αποδυναμώνοντας τις φυσικές επιστήμες στο ελληνικό σχολείο!