A mechanická vlna je to narušení, které vyžaduje fyzické médium, aby se rozšířilo. Nejbližším příkladem je zvuk, který lze přenášet prostřednictvím plynu, kapaliny nebo pevné látky.
Jiné známé mechanické vlny jsou ty, které vznikají, když je vytržena napnutá struna hudebního nástroje. Nebo typicky kruhové vlnky způsobené kamenem hodeným do rybníka.
Porucha prochází médiem a vytváří různé posuny v částicích, které ji tvoří, v závislosti na typu vlny. Jak vlna prochází, každá částice média opakuje pohyby, které ji krátce oddělují od rovnovážné polohy..
Doba trvání rušení závisí na jeho energii. Ve vlnovém pohybu je energie to, co se šíří z jedné strany média na druhou, protože vibrující částice se nikdy nevzdálí příliš daleko od místa původu.
Vlna a energie, kterou nese, mohou cestovat na velké vzdálenosti. Když vlna zmizí, je to proto, že její energie se nakonec rozptýlila uprostřed, takže vše bylo tak klidné a tiché, jako před rušením.
Rejstřík článků
Mechanické vlny se dělí do tří hlavních hlavních skupin:
- Příčné vlny.
- Podélné vlny.
- Povrchové vlny.
Ve smykových vlnách se částice pohybují kolmo ke směru šíření. Například částice řetězce na následujícím obrázku oscilují svisle, zatímco vlna se pohybuje zleva doprava:
V podélných vlnách je směr šíření a směr pohybu částic rovnoběžný.
V mořské vlně jsou podélné vlny a příčné vlny kombinovány na povrchu, a proto jsou to povrchové vlny, pohybující se na hranici mezi dvěma různými médii: vodou a vzduchem, jak je znázorněno na následujícím obrázku.
Při rozbíjení vln na pobřeží převládají podélné složky. Z tohoto důvodu je pozorováno, že řasy blízko pobřeží mají pohyb tam a zpět..
Během zemětřesení se vytvářejí různé typy vln, které cestují po celém světě, včetně podélných vln a příčných vln..
Podélné seismické vlny se nazývají P vlny, zatímco příčné jsou S vlny..
Název P je způsoben skutečností, že se jedná o tlakové vlny a jsou také primární, když přicházejí první, zatímco příčné jsou S pro „střih“ nebo střih a jsou také sekundární, protože přicházejí po P.
Žluté vlny na obrázku 2 jsou periodické vlny, sestávající ze stejných poruch pohybujících se zleva doprava. Všimněte si, že obojí na Co b mají stejnou hodnotu v každé z vlnových oblastí.
Poruchy periodické vlny se opakují jak v čase, tak v prostoru, přičemž mají podobu sinusové křivky charakterizované tím, že mají vrcholy nebo vrcholy, což jsou nejvyšší body, a údolí, kde jsou nejnižší body..
Tento příklad poslouží ke studiu nejdůležitějších charakteristik mechanických vln.
Za předpokladu, že vlna na obrázku 2 představuje vibrační strunu, slouží černá čára jako reference a rozděluje sled vln na dvě symetrické části. Tato čára by se shodovala s polohou, ve které je lano v klidu.
Hodnota a se nazývá amplituda vlny a obvykle se označuje písmenem A. Vzdálenost mezi dvěma údolími nebo dvěma po sobě následujícími hřebeny je vlnová délka l a odpovídá velikosti zvané b na obrázku 2.
Protože se jedná o opakující se jev v čase, má vlna periodu T, což je čas potřebný k provedení celého cyklu, zatímco frekvence f je inverzní nebo převrácená hodnota periody a odpovídá počtu cyklů provedených na jednotku čas.
Frekvence f má jako jednotky v mezinárodním systému inverzní čas: s-1 nebo Hertz na počest Heinricha Hertze, který objevil rádiové vlny v roce 1886. 1 Hz se interpretuje jako frekvence ekvivalentní jednomu cyklu nebo vibrací za sekundu.
Rychlost proti Křivka souvisí frekvence s vlnovou délkou:
v = λ.f = l / T.
Dalším užitečným konceptem je úhlová frekvence ω daná vztahem:
ω = 2πf
Rychlost mechanických vln se liší v závislosti na médiu, ve kterém se pohybují. Obecně platí, že mechanické vlny mají vyšší rychlost, když procházejí pevnou látkou, a jsou pomalejší v plynech, včetně atmosféry..
Obecně se rychlost mnoha typů mechanických vln počítá podle následujícího výrazu:
Například pro vlnu, která cestuje po akordu, je rychlost dána vztahem:
Napětí v řetězci má tendenci vracet řetězec do jeho rovnovážné polohy, zatímco hustota hmoty brání tomu, aby k tomu došlo okamžitě..
Následující rovnice jsou užitečné při řešení následujících cvičení:
Úhlová frekvence:
ω = 2πf
Doba:
T = 1 / f
Hustota lineární hmoty:
v = λ.f
v = λ / T
v = λ / 2π
Rychlost šíření vlny v řetězci:
Sinusová vlna znázorněná na obrázku 2 se pohybuje ve směru kladné osy x a má frekvenci 18,0 Hz. Je známo, že 2a = 8,26 cm a b / 2 = 5,20 cm. Nalézt:
a) Amplituda.
b) Vlnová délka.
c) Období.
d) Rychlost vlny.
a) Amplituda je a = 8,26 cm / 2 = 4,13 cm
b) Vlnová délka je l = b = 2 x 20 cm = 10,4 cm.
c) Perioda T je inverzní k frekvenci, proto T = 1 / 18,0 Hz = 0,056 s.
d) Rychlost vlny je v = l.f = 10,4 cm. 18 Hz = 187,2 cm / s.
Tenký drát dlouhý 75 cm má hmotnost 16,5 g. Jeden z jeho konců je připevněn k hřebíku, zatímco druhý má šroub, který umožňuje nastavení napětí v drátu. Vypočítat:
a) Rychlost této vlny.
b) Napětí v newtonech nezbytné pro to, aby příčná vlna, jejíž vlnová délka je 3,33 cm, vibrovala rychlostí 625 cyklů za sekundu.
a) Použitím v = λ.f, platného pro jakoukoli mechanickou vlnu a dosazením číselných hodnot, získáme:
v = 3,33 cm x 625 cyklů / s = 2081,3 cm / s = 20,8 m / s
b) Rychlost vlny šířící se řetězcem je:
Napětí T v laně se získá zvednutím na druhou na obě strany rovnosti a řešením:
T = vdva.μ = 20,8dva . 2,2 x 10-6 N = 9,52 x 10-4 N.
Zvuk je podélná vlna, kterou lze velmi snadno vizualizovat. K tomu potřebujete pouze a slinky, pružná vinutá pružina, se kterou lze provádět mnoho experimentů pro určení tvaru vln.
Podélná vlna sestává z pulzu, který střídavě stlačuje a rozšiřuje médium. Stlačená oblast se nazývá „komprese“ a oblast, kde jsou pružinové cívky nejvzdálenější od sebe, je „expanze“ nebo „zředění“. Obě zóny se pohybují podél osové osy slinky a tvoří podélnou vlnu.
Stejným způsobem, jako je jedna část pružiny stlačena a druhá se táhne, když se energie pohybuje spolu s vlnou, zvuk komprimuje části vzduchu, které obklopují zdroj rušení. Z tohoto důvodu se nemůže šířit ve vakuu.
U podélných vln jsou výše popsané parametry stejně platné pro příčné periodické vlny: amplituda, vlnová délka, perioda, frekvence a rychlost vlny..
Obrázek 5 ukazuje vlnovou délku podélné vlny pohybující se po vinuté pružině..
V něm byly vybrány dva body umístěné ve středu dvou po sobě jdoucích stlačení pro indikaci hodnoty vlnové délky.
Komprese jsou ekvivalentem hřebenů a expanze jsou ekvivalentem údolí v příčné vlně, takže zvuková vlna může být také reprezentována sinusovou vlnou.
Zvuk je druh mechanické vlny s několika velmi zvláštními vlastnostmi, které jej odlišují od příkladů, které jsme dosud viděli. Dále uvidíme, které jsou jeho nejdůležitější vlastnosti.
Frekvence zvuku je lidským uchem vnímána jako vysoký zvuk (vysoké frekvence) nebo basový (nízké frekvence).
Slyšitelný kmitočtový rozsah v lidském uchu je mezi 20 a 20 000 Hz. Nad 20 000 Hz jsou zvuky zvané ultrazvuk a pod infrazvukem jsou frekvence pro člověka neslyšitelné, ale psi a jiná zvířata je mohou vnímat a používat.
Například netopýři vydávají ultrazvukové vlny nosem, aby určili jejich polohu ve tmě a také pro komunikaci..
Tato zvířata mají senzory, kterými přijímají odražené vlny a nějak interpretují dobu zpoždění mezi emitovanou vlnou a odraženou vlnou a rozdíly v jejich frekvenci a intenzitě. S těmito údaji odvozují vzdálenost, kterou urazili, a tak mohou vědět, kde se hmyz nachází, a létat mezi štěrbinami jeskyní, které obývají..
Mořští savci jako velryba a delfín mají podobný systém: mají specializované orgány naplněné tukem v hlavách, kterými vydávají zvuky, a odpovídající senzory v čelistech, které detekují odražený zvuk. Tento systém je znám jako echolokace.
Intenzita zvukové vlny je definována jako energie přenášená za jednotku času a na jednotku plochy. Energie za jednotku času je síla. Intenzita zvuku je tedy výkon na jednotku plochy a přichází ve wattech / mdva nebo W / mdva. Lidské ucho vnímá intenzitu vlny jako hlasitost: čím hlasitější bude hudba, tím hlasitější bude.
Ucho detekuje intenzitu mezi 10-12 a 1 W / mdva bez pocitu bolesti, ale vztah mezi intenzitou a vnímaným objemem není lineární. K produkci zvuku s dvojnásobnou hlasitostí je zapotřebí vlna s 10krát větší intenzitou.
Úroveň intenzity zvuku je relativní intenzita, která se měří na logaritmické stupnici, ve které je jednotkou bel a častěji decibel nebo decibel..
Úroveň intenzity zvuku je označena jako β a je dána v decibelech podle:
β = 10 log (I / Inebo)
Kde já jsem intenzita zvuku a jánebo je referenční úroveň, která se bere jako prahová hodnota sluchu v 1 x 10-12 W / mdva.
Děti se při zábavě mohou hodně naučit o mechanických vlnách. Zde je několik jednoduchých experimentů, které ukazují, jak vlny přenášejí energii, kterou lze využít.
- 2 plastové kelímky, jejichž výška je výrazně větší než průměr.
- Mezi 5 a 10 metry silného drátu.
Propíchněte základnu brýlí, aby skrze ně procházela nit, a zajistěte ji uzlem na každém konci, aby nit neklouzala.
- Každý hráč si vezme sklenici a odejde rovnou čarou a zajistí, že nit bude napnutá.
- Jeden z hráčů používá svou sklenici jako mikrofon a promlouvá ke svému partnerovi, který si samozřejmě musí přiložit sklenici k uchu, aby mohl poslouchat. Není třeba křičet.
Posluchač si okamžitě všimne, že zvuk hlasu jeho partnera je přenášen napnutým vláknem. Pokud vlákno není napnuté, hlas vašeho přítele nebude jasně slyšet. Ani nebudete slyšet nic, pokud si dáte nit přímo do ucha, sklo je nutné poslouchat.
Z předchozích částí víme, že napětí v řetězci ovlivňuje rychlost vlny. Přenos závisí také na materiálu a průměru nádob. Když partner mluví, energie jeho hlasu se přenáší do vzduchu (podélná vlna), odtud do spodní části sklenice a poté jako příčná vlna závitem.
Vlákno přenáší vlnu na dno posluchačovy nádoby, která vibruje. Tato vibrace se přenáší do vzduchu a je vnímána ušním bubínkem a interpretována mozkem..
Na stole nebo rovném povrchu a slinky, pružná vinutá pružina, pomocí které lze vytvářet různé typy vln.
Konce jsou drženy, jeden v každé ruce. Poté je na jeden z konců aplikován malý horizontální impuls a je pozorováno, jak se pulz šíří podél pružiny.
Můžete také umístit jeden konec slinky připevněna k podpěře nebo požádat partnera, aby ji držel, dostatečně ji natáhl. Tímto způsobem je více času sledovat, jak komprese a expanze následují po sobě a rychle se šíří z jednoho konce pružiny na druhý, jak je popsáno v předchozích částech..
Slinka je také držena na jednom ze svých konců a dostatečně ji protahuje. Volný konec je jemně zatřesen tím, že jej protřepává nahoru a dolů. Je pozorováno, že sinusový pulz se pohybuje podél pružiny a vrací se.
Zatím žádné komentáře