Drgania i fale
Ciało drgające przekazuje energię otaczającemu je ośrodkowi. Najczęściej jest to powietrze.
Jeśli częstotliwości drgań zawierają się w zakresie słyszalnym przez człowieka, czyli 20 - 20000Hz, to mówimy o falach dźwiękowych.
Wahadło - rozkład sił
Ruch wahadła
Modelem wahadła jest tzw. wahadło matematyczne. Trochę przypomina to ruch na huśtawce, tyle że tutaj przyjmujemy (częste w fizyce) założenia, że masa m jest skupiona w punkcie, a nitka nic nie waży i nie jest rozciągliwa.
Skupiona w punkcie masa m zawieszona jest na nieważkiej nici o długości l. Odchylamy masę m o kąt α od położenia równowagi (osi pionowej) na odległość x. Przyspieszenie grawitacyjne na Ziemi g = 9,81 m/s2
Na punktową masę m działa skierowana w dół siła przyciągania grawitacyjnego F = m*g
Na nieważką nić działą siła naprężająca nic Fn = m*g*cos α (jeśli nie wiesz co to cos α i sin α to przeczytaj artykuł o funkcjach trygonometrycznych)
Pod wpływam siły grawitacji masa m "chce" powrócić do położenia spoczynkowego, więc pod wpływem siły Fs = m*g*sin α porusza się więc po drodze s. Siła bezwładności spowoduje, żę wahadło o długości l przemieszcza się dalej w lewo, teoretycznie do odległości -x po drodze s w lewo. Po czym cykl się powtarza.
Fala poprzeczna i fala podłużna
Fala poprzeczna i podłużna
Drgania mogą rozchodzić się w kierunku prostopadłym do ruchu fali - wtedy mówimy o fali poprzecznej, albo mogą rozchodzić się w kierunku ruchu fali - wtedy mamy do czynienia z falą podłużną. Drgania szarpniętej struny gitary lub uderzonej młoteczkiem struny fortepiany powodują, że struna drga poprzecznie wywołuje jednak podłużne drgania cząstek powietrza. Fala akustyczna jest falą podłużną.
Parametry fali
Prędkość, amplituda, okres / częstotliwość i długość fali akustycznej
Amplituda A to wartość maksymalnego wychylenia od położenia równowagi, któremu na rys. 1 odpowiada zakres od 0 do 1 na osi y.
Wartość zmian chwilowego wychylenia ciała drgającego, np. membrany bębna i wywoływanych przez nią zmian zagęszczenia cząstek powietrza, w czasie zawiera się w zakresie od -A do +A (czyli od -1 do +1 na osi y).
Prędkość v rozchodzenia się dźwięku w powietrzu o temperaturze 15 st. C wynosi 340 m/s. W wodzie dźwięk rozchodzi się z prędkością 1450m/s, a w żelazie ponad 5000m/s.
v - prędkość dźwięku,
λ - długość fali akustycznej,
T - okres drgań,
f - częstotliwość fali = ilość drgań na sekundę, f = 1 / T
v = λ / T
v = λ * f
Podsumowanie
Zauważ, że wzór na prędkość rozchodzenia się fali akustycznej jest to po prostu wzór na prędkość v = s/t tylko tutaj droga s to przemieszczenie o długości fali λ, a czas t to okres drgań T, czyli czas w którym przemieści się np. punkt o amplitudzie maksymalnej +A, lub zerowej 0 lub -A lub inaczej punkt odległy od drugiego o długość fali, mówimy punkt o takiej samej fazie. Łatwo to zrozumieć gdy pomyślisz w jakiej fazie ruchu (na jakim etapie ruchu) jest dany punkt na wykresie sinusoidy.
Zadanie:
Nalej wody do miski i gdy jej powierzchnia się uspokoi, wrzuć do wody np. małą kulkę zobacz jak na powierzchni wody powstaną koliste fale. Jeszcze lepiej byłoby to zrobić nad jeziorem, wówczas fale będą lepiej widoczne, bo nie będą odbijać się od brzegu tak jak fale w misce. Opisz proszę krótko swoje obserwacje.
tel.: 505 377 726 e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl
NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione