چرا گاز هلیوم صدا را تغییر می‌دهد؟

یکی از فعالیت‌های سرگرم‌کننده در مهمانی‌ها و دورهمی‌ها، نازک کردن صدا با گاز هلیوم است. اما علت این پدیده چیست و چه اهمیتی برای ما دارد؟

هلیوم گازی سبک، بی‌بو، بی‌رنگ، بی اثر و غیرسمی است.

همچنین جرم مولی و چگالی پایین‌تری نسبت هوا دارد.

جرم مولی هلیوم 4g/mol است – یعنی یک مول هلیوم فقط ۴ گرم است.

این عدد را مقایسه کنید با دو جزء اصلی هوای اطراف ما: نیتروژن با جرم مولی 14g/mol و اکسیژن با جرم مولی 16g/mol.

اکنون با توجه به این‌که در فشار ثابت چگالی گازها تابع جرم مولی آن‌هاست، می‌توان نتیجه گرفت چگالی هلیوم نیز از هوا کمتر است.

و چگالی کم‌تر به این معنی است که در شرایط یکسان، سرعت صوت در هلیوم نسبت به هوای معمولی بیشتر است.

از آن‌جایی که ارتباط بین سرعت و فرکانس مستقیم است، هر چه سرعت بیشتر شود، فرکانس صدا بیشتر (high pitch) شده و در نتیجه صدا زیرتر می‌شود.

این دقیقاً اتفاقی است که در زمان استنشاق هلیوم و حرف زدن پس از آن می‌افتد.

هم‌چنین برعکس این ماجرا نیز صادق است. یعنی در رابطه با گازهایی که چگالی بیشتری از هوا دارند (برای مثال ماده‌ای به نام هگزا فلوئورید گوگرد) صوت با سرعت کمتری عبور می‌کند و همین امر موجب بم شدن (low pitch) صدایی که به گوش می‌رسد، می‌شود.

با این حال به جز استفاده تفریحی در مهمانی، این ویژگی هلیوم کاربردهای دیگری نیز دارد.

برای مثال در غواصی، فشار محیط افزایش می‌یابد. با افزایش هر چه بیشتر عمق، تنفس سخت‌تر می‌شود و انرژی بیشتری می‌گیرد. در نتیجه کار تنفسی افزایش می‌یابد. برای کاهش این مشکل غواصان از هلیوکس (heliox) استفاده می‌کنند.

هلیوکس ترکیبی از اکسیژن و هلیوم است که نفس کشیدن را ساده‌تر می‌کند؛ زیرا که هلیوکس نسبت به هوای عادی چگالی کم‌تری دارد.

وقتی چگالی آن کم‌تر باشد، تمایل آن به ایجاد جریان آشفته کم‌تر خواهد شد.

این‌که یک سیال به شکل آشفته یا لایه‌ای جاری بشود، به عدد رینولدز (Reynolds number) بستگی دارد. در این نوشته‌ی کوتاه که بیشتر جنبه‌ی زنگ تفریح و استراحت در مدرسه پزشکی دارد، نمی‌خواهیم وارد جزئیات عدد رینولدز بشویم.

اما بدانیم که عدد رینولدز با چگالی نسبت مستقیم دارد. هر چه چگالی بیشتر، این عدد بیشتر می‌شود.

پس هلیوکس که چگالی کمتری نسبت به هوا دارد، رینولدز کمتری نیز دارد.

در نتیجه احتمال این‌که جریان آشفته بسازد نیز، کم‌تر می‌شود و متعاقباً کار تنفسی کاهش می‌یابد و تنفس ساده‌تر انجام خواهد شد.

این افزایش جریان لایه‌ای و کاهش کار تنفسی از مواردیست که ما در پزشکی نیز گاهی به دنبال آن می‌گردیم. تا قبل ۱۹۳۰ و کشف دارو‌های برونکودیلاتور، هلیوکس از روش‌های درمانی اصلی برای درمان بیماران آسم بود. امروزه نیز همچنان گاهی در بیماران تنفسی با الگو انسدادی از هلیوکس استفاده می‌شود.

تمرین درس

شما چه بیماری‌هایی را می‌شناسید که از هلیوکس برای درمان آن‌ها استفاده می‌شود؟ به نظر شما، مکانیسم و علت مفید بودن هلیوکس در درمان این بیماری‌ها چیست؟