Ses nasıl yayılır? Şimşek ile gök gürültüsü arasındaki saniyeleri saymak

Yaz akşamı bir fırtına yaklaşıyor. Gökyüzü bir anda şimşekle aydınlanıyor, ama gök gürültüsü ancak birkaç saniye sonra geliyor. Oysa ikisi de aynı anda, aynı yıldırımdan oluşuyor. Peki neden arada bir gecikme var? Bu gecikmeyi sayarak fırtınanın ne kadar uzakta olduğunu bulabilir miyiz? Cevap evet, ve bunun için tek ihtiyacımız sesin nasıl yayıldığını anlamak. Bu yazıda sesin doğasını, farklı ortamlardaki hızını ve şimşek uzaklığı hesabını adım adım anlatacağız.

Ses nedir?

Ses, titreşen bir cismin çevresindeki ortamı titreştirmesiyle oluşan bir enerji yayılımıdır. Gitarın teline dokunduğunuzda tel ileri geri titreşir. Bu titreşim, telin yanındaki hava taneciklerini iter ve çeker. O tanecikler de yanlarındakileri iter. Böylece titreşim, tanecikten taneciğe aktarılarak yayılır ve sonunda kulak zarımıza ulaşır. Kulak zarımız da aynı ritimle titreşir ve beynimiz bunu ses olarak yorumlar.

Burada çok önemli bir nokta var: Hava tanecikleri kaynaktan kulağınıza kadar yolculuk etmez. Her tanecik yalnızca bulunduğu yerin çevresinde ileri geri gidip gelir. Yolculuk eden, taneciklerin kendisi değil, titreşimin, yani enerjinin kendisidir. Stadyumda seyircilerin yaptığı “dalga” hareketini düşünün: Her seyirci yalnızca kalkıp oturur, ama dalga tribün boyunca ilerler.

Ses dalgasında hava, bazı bölgelerde sıkışır, bazı bölgelerde seyrekleşir. Tanecikler dalganın ilerleme yönünde ileri geri titreştiği için ses, boyuna dalga olarak sınıflandırılır.

Ses boşlukta yayılır mı?

Hayır. Ses yayılmak için maddesel bir ortama (katı, sıvı ya da gaz) ihtiyaç duyar. Boşlukta titreşimi aktaracak tanecik yoktur. Bu yüzden uzay boşluğunda ses yayılmaz. Bilim kurgu filmlerindeki gürültülü uzay patlamaları dramatik bir tercih olsa da gerçekçi değildir. Astronotlar uzay yürüyüşünde birbirleriyle telsizle konuşur; telsiz, ses yerine elektromanyetik dalgalar (radyo dalgaları) kullanır ve bunlar boşlukta yayılabilir.

Bunu gösteren klasik bir deney vardır: Çalan bir zil, havası boşaltılabilen bir fanusun içine konur. Hava pompalandıkça zilin sesi giderek azalır, hatta neredeyse duyulmaz olur; oysa zilin çalıştığı gözle görülmeye devam eder.

Ses hızı kaç m/s?

Sesin hızı, içinde yayıldığı ortama bağlıdır. Yaklaşık değerler:

Genel olarak ses katılarda sıvılardan, sıvılarda gazlardan daha hızlı yayılır. Bunun nedeni yalnızca taneciklerin birbirine yakın olması değil; taneciklerin birbirine ne kadar sıkı bağlı olduğu (ortamın esnekliği) ve ortamın yoğunluğudur. Katılarda tanecikler arasındaki bağlar çok güçlü olduğu için titreşim çok hızlı aktarılır.

Havada ses hızı sıcaklıkla da değişir. Yaklaşık bir formül:

Yani 0 °C’de yaklaşık 331 m/s olan ses hızı, 20 °C’de yaklaşık 343 m/s olur. Sıcak havada tanecikler daha hızlı hareket ettiği için titreşimi daha çabuk aktarır.

Işık ise bambaşka bir hızdadır: Saniyede yaklaşık 300.000 kilometre. Bu, ses hızının yaklaşık bir milyon katıdır. Gündelik mesafelerde ışığın bize ulaşması için geçen süre, pratikte sıfır kabul edilebilir.

Şimşek ile gök gürültüsü: Uzaklık hesabı

Yıldırım düştüğünde ışık (şimşek) ve ses (gök gürültüsü) aynı anda oluşur. Gök gürültüsü, yıldırım kanalındaki havanın çok kısa sürede on binlerce dereceye ısınıp aniden genişlemesiyle oluşan güçlü bir ses dalgasıdır.

Işık bize neredeyse anında ulaşır. Ses ise her saniyede yaklaşık 343 metre yol alır. Bu yüzden:

Burada $t$, şimşeği gördüğünüz an ile gök gürültüsünü duyduğunuz an arasındaki saniye sayısıdır.

Pratik bir kural: $343 \times 3 \approx 1029$ metre olduğu için, saydığınız saniyeyi 3’e bölerseniz yaklaşık uzaklığı kilometre cinsinden bulursunuz.

Örnek 1: Şimşekten 6 saniye sonra gök gürültüsü duyuldu.

Örnek 2: Gecikme 15 saniye.

Saniyeleri birkaç dakika boyunca saymaya devam ederseniz fırtınanın size yaklaşıp yaklaşmadığını da anlayabilirsiniz: Süre kısalıyorsa fırtına yaklaşıyordur.

Güvenlik notu

Bu hesap eğlenceli bir fizik uygulamasıdır, ama güvenlik konusunda net olalım: Gök gürültüsünü duyabiliyorsanız yıldırım çarpma tehlikesi altındasınız demektir. Yıldırım, fırtınanın merkezinden kilometrelerce uzağa düşebilir. Meteoroloji kuruluşlarının önerisi, gök gürültüsü duyulduğunda kapalı bir binaya ya da kapıları ve camları kapalı bir araca girmek ve son gök gürültüsünden sonra en az 30 dakika beklemektir. Açık arazide, tek başına duran ağaçların altında ya da su kenarında beklemeyin.

Gündelik hayattan örnekler

• Stadyumda gecikme: Büyük bir stadyumun karşı tribünündeki davulcunun tokmağı vurduğunu, sesini duymadan bir an önce görebilirsiniz.
• Yankı: Kapadokya’nın vadilerinde ya da boş bir salonda bağırdığınızda ses yüzeylere çarpıp geri döner. Yankıyı ayrı bir ses olarak duyabilmek için yansıtıcı yüzeyin yeterince uzakta olması gerekir.
• Raylara kulak vermek: Filmlerde rayı dinleyerek yaklaşan treni duyan karakterler fiziksel olarak haklıdır: Ses çelikte havadan çok daha hızlı yayılır. Ama gerçek hayatta raylara yaklaşmak son derece tehlikelidir; bunu asla denemeyin.
• Yunuslar ve sonar: Gemiler ve yunuslar, su altında ses dalgaları gönderip yankılarını dinleyerek mesafe ölçer.

Sık yapılan yanılgılar

“Ses dalgasında hava kaynaktan kulağa akar.” Hayır. Hava tanecikleri yalnızca yerinde titreşir; ilerleyen enerjidir.

“Ses en hızlı havada yayılır.” Tam tersi. Gündelik ortamlar içinde ses en yavaş gazlarda, en hızlı katılarda yayılır.

“Uzaklığı bulmak için saniyeyi 5’e bölmek gerekir.” Bu kural, mil cinsinden uzaklık içindir (bir mil yaklaşık 1,6 km). Kilometre için saniyeyi yaklaşık 3’e bölmek gerekir.

“Yüksek ses daha hızlı gider.” Sesin hızı ortama bağlıdır, sesin şiddetine ya da perdesine değil. Gündelik koşullarda alçak ve yüksek perdeli sesler aynı hızla ilerler.

Evde dene: İpli bardak telefonu

Malzemeler: İki karton ya da plastik bardak, 5-10 metre ince ip, kürdan, bir sivri uç (bir yetişkin delsin).

1. Bardakların tabanının ortasına küçük birer delik açın.
2. İpin uçlarını deliklerden geçirin ve içeride birer kürdana bağlayarak sabitleyin.
3. Bir arkadaşınızla ipi gergin tutacak şekilde uzaklaşın.
4. Biriniz bardağa konuşurken diğeri bardağı kulağına tutsun.

Sesiniz, ip gerginken karşı tarafa şaşırtıcı derecede net ulaşır. Bardağın tabanı sesle titreşir, titreşim ip boyunca ilerler ve diğer bardağı titreştirir. İpi gevşetin ya da parmağınızla tutun: Ses kesilir. Bu, sesin bir ortam boyunca titreşim olarak yayıldığını gösterir.

Özetle

• Ses, titreşimlerin bir ortam boyunca tanecikten taneciğe aktarılmasıdır.
• Ses boşlukta yayılmaz; maddesel bir ortama ihtiyaç duyar.
• Havada ses hızı 20 °C’de yaklaşık 343 m/s’dir; suda ve katılarda daha hızlıdır.
• Şimşek ile gök gürültüsü arasındaki saniyeyi 3’e bölerek fırtınanın yaklaşık uzaklığını kilometre olarak bulabilirsiniz.
• Gök gürültüsü duyuluyorsa güvenli bir kapalı alana geçin.

Daha fazlası için Fen Bilimleri konularına ve fizik yazılarımıza göz atabilirsiniz.