Drgania, fale

Ruch drgający

Ruch drgający możemy podzielić na harmoniczny, czyli taki którego wykres da się przedstawić za pomocą sinusoidy, ale również na harmoniczny – tłumiony. Ten drugi to jest tak właściwie przypadek rzeczywisty, bo jeśli naciągniesz sprężynę to po pewnym czasie sprężyna przestanie drgać.

Wykres ruchu drgającego harmonicznego możemy przestawić za pomocą sinusoidy.

Sprężyna rzeczywista po pewnym czasie przestanie drgać a wykres, za pomocą którego możemy ten ruch przedstawić wygląda w następujący sposób:

W szkołach omawia się zwykle bardziej szczegółowo ruch harmoniczny, bo jego opis jest znacznie łatwiejszy (wystarczy znać tylko funkcję sinus). W przypadku ruchów tłumionych do ich opisu trzeba wykorzystać równania różniczkowe i oczywiście wówczas sytuacja się komplikuje, bo wymaga ona od ucznia znajomości troszkę bardziej zaawansowanej matematyki.

W ruchu harmonicznym pojawiają się takie pojęcia jak:

- amplituda (A), czyli największe wychylenie z położenia równowagi,

- okres (T), czyli czas potrzebny do wykonania jednego pełnego drgnięcia,

- częstotliwość (f) to wielkość podobna do okresu. Wykorzystywana w przypadku bardzo szybkich drgań. Określa ona ilość drgnięć w czasie 1 sekundy. Jednostką częstotliwości jest herc [Hz].

Amplitudę i okres zaznaczyłem na wykresie poniżej

W jaki sposób można obliczyć częstotliwość i okres w ruchu harmonicznym? Poniżej wzory:

f=n/t

T=t/n

f=1/T

gdzie:

n- ilość pełnych obiegów

t- czas

f- częstotliwość

T- okres

Ze względu na sposób przemieszczania się fali rozróżniamy falę poprzeczną i podłużną.

-  fala poprzeczna to fala, w której kierunek rozchodzenia się fali jest prostopadły do jej drgań. Tak jak to widać na obrazku poniżej. Grzbiety fali są prostopadłe do kierunku jej przemieszczenia.

Falę możemy opisywać poprzez jej długość oraz prędkość rozchodzenia.

- długość fali to inaczej odległość jaką przebędzie fala w czasie jednego okresu, a więc jest to odległość między dwoma grzbietami, oznaczamy to literką lambda λ.

λ =v/f

λ – długość fali

V- szybkość

f- częstotliwość

Fale dźwiękowe

Jest to fala mechaniczna. Bardzo często można przeczytać takie zdanie w różnych książkach, tylko co to tak właściwie oznacza?

Każda fala mechaniczna potrzebuje ośrodka materialnego, aby się przemieszczać. W przypadku fali dźwiękowej mogą to być cząsteczki powietrza, wody albo np. szyna stalowa. Fala dźwiękowa nie istnieje w próżni. Tam nie ma ośrodka, w którym mogłaby się ona propagować, czyli przemieszczać,  a więc wniosek z tego taki, że w Kosmosie gdzie jest próżnia panuje absolutna cisza. Czy to jednak oznacza, że żadne fale się tam nie przemieszczają? Nie przemieszczają się tam fale dźwiękowe, ale jest jeszcze drugi rodzaj fali, do której zaliczają się fale elektromagnetyczne. One nie potrzebują ośrodka materialnego do swojej propagacji.

Wracając do dźwięku. Jak to się dzieje, że dźwięk przemieszcza się w powietrzu? Podczas propagacji dźwięku cząsteczki powierza  zagęszczają się i rozrzedza co powoduje lokalne zmiany ciśnienia w powietrzu. Wyglądałoby to podobnie jak przemieszczające się fale morskie (rysunek poniżej).

W przypadku propagacji dźwięku nie następuje przesuwanie się cząstek jako całości (musiałby wówczas powstać wiatr spowodowany niesieniem cząstek). Następuje tylko przesuwanie się zaburzeń, fal dźwiękowych. Cząstki przekazują sobie energię jedna od drugiej. 

Zakres fal słyszalnych przez człowieka mieści się w przedziale od 20Hz do 20000Hz. Dźwięk o częstotliwości niższej od 20Hz to infradźwięki natomiast powyżej 20 000Hz to ultradźwięki.

Przykładem zwierząt, które są w stanie słyszeć infradzwęki to słonie natomiast ultradźwięki słyszą nietoperze.

 Dowiedz się więcej w naszym kursie Drgania Fale , w którym obliczyliśmy wiele zadań z działy fizyki -  drgania i fale.