Rýchlosť vlny. Vlnové charakteristiky

Ak spustíme plavák v určitej vzdialenosti od lopty, bude tiež oscilovať. Keď sa oscilácie v priebehu času rozchádzajú v priestore, tento proces sa nazýva vlna.

Študovať vlastnosti zvuku (Vlnová dĺžka, rýchlosť vlny atď..), je vhodná známa hračka "Rainbow" alebo Happy Rainbow.

Natiahnite pružinu, nechajte ju upokojiť a prudko ju pretrepte pohybom nahor a nadol. Uvidíme, že sa objavila vlna, ktorá prebiehala pozdĺž prameňa a potom sa vrátila späť. To znamená, že sa to odrazilo od prekážky. Pozorovali sme, ako sa vlna časom šírila pozdĺž prameňa. Častice pružiny sa pohybovali hore a dole vo vzťahu k ich rovnováhe a vlna prebiehala doľava a doprava. Takáto vlna sa nazýva priečna. V ňom je smer jeho šírenia kolmý na smer kmitania častíc. V našom prípade bolo médiom šírenia vĺn pružina.

Teraz natiahneme pružinu, necháme ju upokojiť a ťaháme tam a späť. Uvidíme, že cievky pružiny sú stlačené pozdĺž nej. Vlna prebieha rovnakým smerom. Na jednom mieste je pružina viac stlačená, na inom je viac natiahnutá. Takáto vlna sa nazýva pozdĺžna vlna. Smer kmitania jeho častíc sa zhoduje so smerom šírenia.

Predstavte si husté médium, napríklad pevnú látku. Ak ho deformujeme posunom, vznikne vlna. Objaví sa v dôsledku elastických síl pôsobiacich iba v pevných látkach. Tieto sily zohrávajú úlohu návratu a generujú elastickú vlnu.

Nebude možné deformovať kvapalinu šmykom. V plynoch a kvapalinách sa priečna vlna nemôže šíriť. Ďalšia vec je pozdĺžna: šíri sa vo všetkých prostrediach, kde pôsobia elastické sily. V pozdĺžnej vlne sa častice potom zbiehajú, potom sa vzďaľujú a samotné médium je stlačené a zriedené.

Mnoho ľudí si myslí, že tekutiny sú nestlačiteľné, ale nie je to tak. Ak stlačíte piest injekčnej striekačky vodou, trochu sa zmenší. Deformácia stlačenia a natiahnutia je možná aj v plynoch. Po stlačení piestu prázdnej injekčnej striekačky sa vzduch stlačí.

Rýchlosť a vlnová dĺžka

Vráťme sa k animácii, ktorú sme zvažovali na začiatku článku. Vyberme si ľubovoľný bod na jednom z kruhov, ktoré sa líšia od podmienenej gule, a nasledujme ho. Bod sa vzďaľuje od centra. Rýchlosť, ktorou sa pohybuje, je rýchlosť hrebeňa vlny. Môžeme konštatovať, že jednou z charakteristík vlny je rýchlosť vlny.

Animácia ukazuje, že hrebene vĺn sú umiestnené v rovnakej vzdialenosti. Toto je vlnová dĺžka-ďalšia jej charakteristika. Čím častejšie sú vlny, tým kratšia je ich dĺžka.

Prečo nie je každá mechanická vlna zvukovou vlnou

Zoberme si hliníkové pravítko.

Je elastický, takže je vhodný pre skúsenosti. Položte pravítko na okraj stola a stlačte ho rukou tak, aby silne vyčnievalo. Stlačíme na jeho okraj a náhle ho uvoľníme — voľná časť začne vibrovať, ale súčasne nebude počuť žiadny zvuk. Ak stlačíte pravítko len trochu, vibrácie krátkeho okraja vytvoria zvuk.

Čo ukazuje táto skúsenosť? Ukazuje, že zvuk sa vyskytuje iba vtedy, keď sa telo pohybuje dostatočne rýchlo, keď je rýchlosť vlny v médiu vysoká. Predstavme si ďalšiu charakteristiku vlny-frekvenciu. Táto hodnota ukazuje, koľko vibrácií telo urobí za sekundu. Keď vytvoríme vlnu vo vzduchu, zvuk sa vyskytuje za určitých podmienok — pri dostatočne vysokej frekvencii.

Je dôležité pochopiť, že zvuk nie je vlna, aj keď súvisí s mechanickými vlnami. Zvuk je pocit, ktorý sa vyskytuje, keď zvukové (akustické) vlny vstupujú do ucha.

Vráťme sa k vládcovi. Keď je väčšina rozšírená, pravítko kolíše a nevydáva zvuk. Vytvára to vlnu? Samozrejme, ale toto je mechanická vlna, nie zvuková vlna. Teraz môžeme definovať zvukovú vlnu. Ide o mechanickú pozdĺžnu vlnu, ktorej frekvencia je v rozmedzí od 20 Hz do 20 tisíc. Hz. Ak je frekvencia menšia ako 20 Hz alebo viac ako 20 kHz, potom ju nebudeme počuť, aj keď dôjde k výkyvom.

Zdroj zvuku

Zdrojom akustických vĺn môže byť akékoľvek oscilujúce teleso, vyžaduje to iba elastické médium, napríklad vzduch. Vibrovať môže nielen pevné telo, ale aj kvapalina a plyn. Vzduch ako zmes niekoľkých plynov môže byť nielen médiom šírenia — sám je schopný generovať akustickú vlnu. , Sú to jeho vibrácie, ktoré sú základom zvuku dychových nástrojov. Flauta alebo trúbka nekolíše. Tento vzduch je zriedený a stlačený, dáva určitú rýchlosť vlne, v dôsledku čoho počujeme zvuk.

Šírenie zvuku v rôznych prostrediach

Zistili sme, že znejú rôzne látky: kvapalné, tuhé, plynné. To isté platí pre schopnosť viesť akustickú vlnu. Zvuk sa šíri v akomkoľvek elastickom médiu (kvapalnom, pevnom, plynnom) okrem vákua. V bezvzduchovom priestore, povedzme na Mesiaci, nebudeme počuť zvuk vibrujúceho tela.

Väčšina zvukov vnímaných ľuďmi je distribuovaná vo vzduchu. Ryby, medúzy počujú akustickú vlnu vyžarujúcu cez vodu. Ak sa ponoríme pod vodu, budeme počuť aj hluk motorového člna prechádzajúceho neďaleko. Vlnová dĺžka a rýchlosť vlny budú navyše vyššie ako vo vzduchu. To znamená, že zvuk motora bude prvý, ktorý bude počuť osoba potápanie pod vodou. Rybár, ktorý sedí vo svojej lodi na rovnakom mieste, bude hluk počuť neskôr.

V pevných látkach sa zvuk šíri ešte lepšie a rýchlosť vĺn je vyššia. Ak si k uchu priložíte pevný predmet, najmä kovový, a zaklopete naň, budete ho veľmi dobre počuť. Ďalším príkladom je váš vlastný hlas. Keď prvýkrát počujeme našu reč vopred nahranú na diktafón alebo z videa, zdá sa, že hlas je niekoho iného. Prečo sa to deje? Pretože v živote nepočujeme toľko zvukových vibrácií z našich úst, ako vibrácie vĺn prechádzajúcich cez kosti našej lebky. Zvuk odrážaný od týchto prekážok sa trochu líši.

Rýchlosť zvuku

Rýchlosť zvukovej vlny, ak vezmeme do úvahy rovnaký zvuk, sa bude líšiť v rôznych prostrediach. Čím je médium hustejšie, tým rýchlejšie sa zvuk dostane k nášmu uchu. Vlak môže cestovať tak ďaleko od nás, že zvuk kolies ešte nebude počuť. Ak však priložíme ucho k koľajniciam, budeme jasne počuť hukot.

To naznačuje, že zvuková vlna beží rýchlejšie v pevných látkach ako vo vzduchu. Obrázok ukazuje hodnoty rýchlosti zvuku v rôznych prostrediach.

Vlnová rovnica

Rýchlosť, frekvencia a vlnová dĺžka spolu súvisia. Pre telesá, ktoré vibrujú pri vysokej frekvencii, je vlna kratšia. Nízkofrekvenčné zvuky sú počuť na väčšiu vzdialenosť, pretože majú dlhšiu vlnu. Existujú dve vlnové rovnice. Ilustrujú vzájomnú závislosť vlnových charakteristík od seba. Ak poznáte akékoľvek dve veličiny z rovníc, môžete vypočítať tretiu:

c = v × λ,

kde c je rýchlosť, V je frekvencia, λ je vlnová dĺžka.

Druhá rovnica akustickej vlny:

c = λ / T,

kde T je obdobie,. teda. čas, počas ktorého telo robí jednu osciláciu.