Przejdź do zawartości

Fizyka dla liceum/Drgania i fale mechaniczne

Z Wikibooks, biblioteki wolnych podręczników.

Ruch harmoniczny, definicje

[edytuj]

1. Ruch w którym siła wprawiająca ciało w ruch jest proporcjonalna do wychylenia i ma zwrot przeciwny do wychylenia

F→=−kx→

k - współczynnik charakteryzujący oscylator

x - wychylenie z położenia równowagi

2. Ruch, w którym wychylenia z położenia równowagi zmieniają się zgodnie ze zmianą funkcji sinus, czyli są sinusoidalnie zmienne

x(t)=Asin⁡(ωt+ϕ)

ω=2πT

A - amplituda

ω - częstość kołowa

ϕ - faza początkowa ruchu (kąt wychylenia z położenia równowagi w chwili rozpoczęcia pomiaru czasu)

Równania ruchu oscylatora harmonicznego

[edytuj]
  • oznaczenia :

x - wychylenie ze stanu równowagi ( położenia zero )
A - amplituda drgań ( maksymalne wychylenie )
T - okres, jednostka [s]
ω - częstość drgań, jednostka [Hz,1/s]
ϕ - przesunięcie fazowe

  • związki :

ω=αt=2πT=2πf

ponieważ α jest wyrażone w radianach.

Ponadto nie powinno używać się do opisu częstości kołowej jednostki Hz (chociaż jest to poprawne). Preferowany zapis: s−1

  • położenie (przemieszczenie)

x=Asin⁡(ωt+ϕ)

  • prędkość

V=Vmaxcos⁡(ωt+ϕ)

Vmax=ωA

  • prędkość ( skąd to się bierze  ;)

Prędkość jest pochodną położenia po czasie , więc :
V=dxdt=ddt(Asin⁡(ωt+ϕ))=Acos(ωt+ϕ)ω=(Aω)cos(ωt+ϕ)

  • przyspieszenie (zwrot siły wypadkowej)

a=−amaxsin(ωt+ϕ)

amax=ω2A

Związki dla ciężarka drgającego na sprężynie

[edytuj]

k=mω2=>ω=km

F=−mω2Asin(ωt+ϕ)

T=2πmk

Siła, prędkość, przyspieszenie w ruchu harmonicznym

[edytuj]

F=−Asin(ωt+ϕ)

ωt+ϕ to tzw. faza

F=−kx

−mω2=Asin(ωt+ϕ)

Opis zmian siły, prędkości, przyspieszenia

[edytuj]

x=Asin⁡(ωt+ϕ)

V=ωAcos⁡(ωt+ϕ)

a=−ω2Asin⁡(ωt+ϕ)

czas xFV a
000ωA0
14TAsin⁡(2πTT4)mω2A0ω2Asin⁡(2πTT4)
12T00ωA0
34TAmω2A0ω2Asin⁡(2πT3T4)
1T00ωA0

Wahadło matematyczne

[edytuj]

Definicja

[edytuj]

Wahadło matematyczne - wahadło drgające z małą amplitudą.

Wahadło matematyczne jest traktowane jako oscylator harmoniczny.

Wzory opisujące wahadło matematyczne

[edytuj]

mgsin⁡α=mω2x

mgxl=mω2x

ω2=gl

ω=gl

2πT=gl

T=2πlg

Łączenie sprężyn

[edytuj]

Gdy pomijamy masy sprężyn.

  • szeregowe

1k=1k1+1k2

  • równoległe

k=k1+k2

Energia oscylatora

[edytuj]

Ec=Ek+Ep

W amplitudzie: Ec=Ek0+Ep

W położeniu równowagi: Ec=Ep0+Ek

Całkowita energia oscylatora harmonicznego:

Ec=kA22

Rezonans mechaniczny

[edytuj]

Częstość drgań własnych - częstość z jaką drga swobodnie oscylator wytrącony z położenia równowagi.

Rezonans mechaniczny - wzajemne pobudzanie do drgań dwóch oscylatorów mających tę samą częstość drgań własnych.


Opis i cechy fali mechanicznej

[edytuj]

W ośrodku sprężystym rozchodzi się fala mechaniczna, jeśli element ośrodka jest wytrącany cyklicznie z położenia równowagi.

Cechy fali biegnącej

długość - odległość jaką przebywa fala w danym okresie

częstotliwość i okres - są równe częstotliwości i okresowi źródła drgań wytwarzającemu fale


Jeżeli źródło fali jest oscylatorem harmonicznym to powstaje fala sinusoidalna.


amplituda - maksymalne wychylenie cząsteczki fali z położenia równowagi

prędkość - jest cechą ośrodka


Rodzaje fal:

  • poprzeczne
  • podłużne
  • koliste
  • płaskie
  • kuliste

Równania opisujące falę biegnącą

[edytuj]

y=Asin⁡2π(tT−xλ)

t - chwila czasu, w której określono wychylenie z położenia równowagi

x - odległość danego punktu od początku układu współrzędnych

λ - długość fali

Asin⁡ω(t−xV)

Faza fali biegnącej: argument funkcji sinus.

Fale dźwiękowe

[edytuj]

Dźwięki wydawane są przez ciała drgające z częstotliwością od 16 Hz do 20 kHz.

Żeby fala taka została odebrana przez człowieka musi posiadać odpowiednią częstotliwość(wysokość) oraz odpowiednio wielkie natężenie.

Efekt Dopplera

[edytuj]

Częstotliwość dźwięku odbieranego od obserwatora jest wyższa od dźwięku wydawanego przez źródło, gdy źródło zbliża się do obserwatora i niższa niż dźwięku wydawanego przez źródło, gdy źródło oddala się od obserwatora.

  • obserwator nieruchomy, źródło ruchome
    • zbliżanie

fod=fzVdzVdz−Vz

    • oddalanie

fod=fzVdzVdz+Vz

  • obserwator ruchomy, źródło nieruchome
    • zbliżanie

fod=fzVdz+VzVdz

    • oddalanie

fod=fzVdz−VzVdz

Dyfrakcja i interferencja fal mechanicznych. Fale stojące

[edytuj]

Dyfrakcja fali - ugięcie fali na krawędziach przeszkody

obrazek - dyfrakcja częściowa

obrazek2 - dyfrakcja całkowita


Dyfrakcja na pojedynczej szczelinie jest dyfrakcją całkowitą jeżeli szerokość szczeliny jest mniejsza od długości fali.

Interferencja - nakładanie (sumowanie) fal

W miejscu nałożenia się dwóch fal nastąpi:

  • wzmocnienie - jeżeli spotykają się fale o zgodnych fazach
  • wygaszenie - jeżeli spotykają się fale o przeciwnych fazach

Nakładanie się fal o jednakowych amplitudach i częstotliwościach biegnących wzdłuż tego samego kierunku: obrazek. Nakładanie się fal o jednakowych amplitudach i częstotliwościach biegnących w różne strony: obrazek.

Efektem nałożenia się takich fal może być tzw. fala stojąca

amplituda strzałki - amplituda A + amplituda B

węzeł - miejsce fali, w którym nie występują żadne drgania

strzałka - miejsce fali, w którym występują drgania maksymalne

Amplituda fali stojącej równa jest dwukrotności amplitudt fali składowych.

Dźwiękowe fale stojące na strunach, prętach i rurach.

f=Vλ

a)

λ=4l

f1=V4l częstotliwość pierwszej harmonicznej

b)

l=12λ

f1=12Vl

c) pręt zamocowany w środku

l=12λ

f1=V2l

Rury:

  • jednostronnie otwarta

l=14λ

f1=14Vl

f2=34Vl

f3=54Vl

  • dwustronnie zamknięta

f1=12Vl

f2=22Vl


  • dwustronnie otwarta

f1=12Vl

f2=22Vl

Energia fali, natężenie dźwięku

[edytuj]

Fala biegnąca niesie energię uzyskaną ze źródła wytwarzającego fale.

moc źródła - ilość pracy wykonywanej podczas wytwarzania fali w źródle w jednostce czasu

Natężenie fali w danym jej punkcie

[edytuj]

J=PS

Moc przypadająca na jednostkę powierzchni czoła fali.

Aby dźwięk mógł zostać odebrany musi mieć minimalną częstotliwość oraz minimalne natężenie tzw. natężenie progowe.

J0=10−12[Wm2]

Poziom natężenia dźwięków (głośności) określa związek

L=log⁡JJ0

L=log⁡J−log⁡J0

J - dźwięk wydawanyJ0 - próg słyszalności

Jednostka: bell.