Механичната вълна се прехвърля. Механични вълни: източник, свойства, формули

Вълна– процесът на разпространение на трептения в еластична среда.

механична вълна– механични смущения, разпространяващи се в пространството и носещи енергия.

Типове вълни:

надлъжно - частиците на средата трептят в посока на разпространение на вълната - във всички еластични среди;

х

посока на трептене

точки от околната среда

напречно - частиците на средата трептят перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната - на повърхността на течността.

х

Видове механични вълни:

еластични вълни - разпространение на еластични деформации;

вълни на повърхността на течност.

Характеристики на вълната:

Нека A осцилира според закона:
.

Тогава B осцилира със закъснение от ъгъл
, където
, т.е.

Вълнова енергия.

е общата енергия на една частица. Ако частициN, тогава къде - епсилон, V - обем.

Епсилон– енергия на единица обем на вълната – обемна енергийна плътност.

Енергиен поток на вълните е равен на съотношението на енергията, пренесена от вълните през определена повърхност, към времето, през което се извършва този пренос:
, ват; 1 ват = 1J/s.

Плътност на енергийния поток - интензитет на вълната- енергиен поток през единица площ - стойност, равна на средната енергия, пренесена от вълна за единица време на единица площ от напречното сечение.

[W/m2]

.

Умов вектор– вектор I, показващ посоката на разпространение на вълната и равно на потокаенергия на вълната, преминаваща през единична площ, перпендикулярна на тази посока:

.

Физически характеристики на вълната:

вибрационен:

1. амплитуда

Вълна:

1. дължина на вълната

   скорост на вълната

   интензивност

Комплексни вибрации (релаксация) – различни от синусоидалните.

Преобразуване на Фурие- всяка сложна периодична функция може да бъде представена като сбор от няколко прости (хармонични) функции, периодите на които са кратни на периода на сложната функция - това е хармоничен анализ. Среща се в анализатори. Резултатът е хармоничният спектър на сложно трептене:

НО

0

звук -вибрации и вълни, които действат върху човешкото ухо и предизвикват слухово усещане.

Звуковите вибрации и вълни са специален случай на механични вибрации и вълни. Видове звуци:

тонове- звук, който е периодичен процес:

1. прост - хармоничен - камертон

   комплекс - анхармоничен - реч, музика

Сложен тон може да бъде разложен на прости. Най-ниската честота на такова разлагане е основният тон, останалите хармоници (обертони) имат честоти, равни на 2 и други. Набор от честоти, показващи тяхната относителна интензивност, е акустичният спектър.

шум -звук със сложна неповтаряща се времева зависимост (шумоляне, скърцане, аплодисменти). Спектърът е непрекъснат.

Физически характеристики на звука:

Характеристики на слуховото усещане:

Височинасе определя от честотата на звуковата вълна. Колкото по-висока е честотата, толкова по-висок е тонът. Звукът с по-голяма интензивност е по-нисък.

Тембър– определя се от акустичния спектър. Колкото повече тонове, толкова по-богат е спектърът.

Сила на звука- характеризира нивото на слухово усещане. Зависи от интензитета и честотата на звука. Психофизически Закон на Вебер-Фехнер: ако увеличите дразненето в геометрична прогресия(със същия брой пъти), тогава усещането за това дразнене ще се увеличи аритметична прогресия(със същата сума).

, където E е силата на звука (измерена във фони);
- ниво на интензитет (измерено в бели). 1 бел - промяна в нивото на интензитета, което съответства на промяна в интензитета на звука с 10 пъти K - коефициент на пропорционалност, зависи от честотата и интензитета.

Връзката между силата на звука и интензивността на звука е еднакви криви на силата на звука, изградени върху експериментални данни (те създават звук с честота 1 kHz, променят интензитета, докато се появи слухово усещане, подобно на усещането за силата на звука, който се изследва). Познавайки интензивността и честотата, можете да намерите фона.

Аудиометрия- метод за измерване на остротата на слуха. Инструментът е аудиометър. Получената крива е аудиограма. Определя се и се сравнява прагът на слухово усещане при различни честоти.

Шумомер - измерване на нивото на шума.

В клиниката: аускултация - стетоскоп/фонендоскоп. Фонендоскопът е куха капсула с мембрана и гумени тръбички.

Фонокардиография - графична регистрация на фонове и сърдечни шумове.

Ударни.

Ултразвук– механични вибрации и вълни с честота над 20 kHz до 20 MHz. Ултразвуковите излъчватели са електромеханични излъчватели, базирани на пиезоелектричния ефект ( променлив токкъм електродите, между които - кварц).

Дължината на вълната на ултразвука е по-малка от дължината на вълната на звука: 1,4 m - звук във вода (1 kHz), 1,4 mm - ултразвук във вода (1 MHz). Ултразвукът се отразява добре на границата на кост-надкостница-мускул. Ултразвукът няма да проникне в човешкото тяло, ако не е смазан с масло (въздушен слой). Скоростта на разпространение на ултразвука зависи от околната среда. Физически процеси: микровибрации, разрушаване на биомакромолекули, преструктуриране и увреждане на биологичните мембрани, термичен ефект, разрушаване на клетки и микроорганизми, кавитация. В клиниката: диагностика (енцефалограф, кардиограф, ултразвук), физиотерапия (800 kHz), ултразвуков скалпел, фармацевтична индустрия, остеосинтеза, стерилизация.

инфразвук– вълни с честота по-малка от 20 Hz. Неблагоприятно действие - резонанс в тялото.

вибрации. Полезно и вредно действие. Масаж. вибрационна болест.

Доплер ефект– промяна в честотата на вълните, възприемани от наблюдателя (приемник на вълни) поради относителното движение на източника на вълни и наблюдателя.

Случай 1: N се приближава до I.

Случай 2: И се приближава до Н.

Случай 3: приближаване и разстояние на I и H един от друг:

Система: ултразвуков генератор - приемник - е неподвижен спрямо средата. Обектът се движи. Получава ултразвук с честота
, отразява го, изпращайки го до приемника, който приема ултразвукова вълна с честота
. Разлика в честотата - доплеров изместване на честотата:
. Използва се за определяне на скоростта на притока на кръв, скоростта на движение на клапите.

Съществуването на вълна изисква източник на трептене и материална среда или поле, в което тази вълна се разпространява. Вълните са от най-разнообразно естество, но се подчиняват на сходни закони.

По физическа природа различавам:

Според ориентацията на смущенията различавам:

Надлъжни вълни - Изместването на частиците става по посоката на разпространение; необходимо е да има еластична сила в средата по време на компресия; може да се разпространява във всяка среда. Примери:звукови вълни

напречни вълни - Изместването на частиците става напречно на посоката на разпространение; може да се разпространява само в еластична среда; необходимо е да има еластична сила на срязване в средата; може да се разпространява само в твърда среда (и на границата на две среди). Примери:еластични вълни в низ, вълни върху вода

Според характера на зависимостта от времето различавам:

еластични вълни - механични премествания (деформации), разпространяващи се в еластична среда. Еластичната вълна се нарича хармоничен(синусоидална), ако вибрациите на съответната среда са хармонични.

бягащи вълни - Вълни, които носят енергия в космоса.

Според формата на вълновата повърхност : плоска, сферична, цилиндрична вълна.

вълнов фронте мястото на точките, до които са достигнали трептенията настоящ моментвреме.

вълнова повърхност- локус на точки, осцилиращи в една фаза.

Характеристики на вълната

Дължина на вълната λ - разстоянието, на което вълната се разпространява за време, равно на периода на трептене

Амплитуда на вълната А - амплитуда на трептения на частици във вълна

Скорост на вълната v - скорост на разпространение на смущенията в средата

Период на вълната T - период на трептене

Честота на вълната ν - реципрочната стойност на периода

Уравнение на пътуваща вълна

По време на разпространението на движеща се вълна смущенията на средата достигат до следващите точки в пространството, докато вълната предава енергия и импулс, но не пренася материя (частиците на средата продължават да трептят на едно и също място в пространството).

където v-скорост , φ 0 - начална фаза , ω – циклична честота , А- амплитуда

Свойства на механичните вълни

1. отражение на вълната – механичните вълни от всякакъв произход имат способността да се отразяват от интерфейса между две среди. Ако механична вълна, разпространяваща се в среда, срещне препятствие по пътя си, тя може драстично да промени естеството на своето поведение. Например, на интерфейса между две медии с различни механични свойствавълната се отразява частично и частично прониква във втората среда.

2. Пречупване на вълни – по време на разпространението на механичните вълни може да се наблюдава и явлението пречупване: промяна в посоката на разпространение на механичните вълни по време на прехода от една среда в друга.

3. Дифракция на вълни – отклонение на вълната от праволинейно разпространение, тоест те се огъват около препятствия.

4. Интерференция на вълните – добавяне на две вълни. В пространство, където се разпространяват няколко вълни, тяхната интерференция води до появата на области с минимални и максимални стойности на амплитудата на трептене

Интерференция и дифракция на механични вълни.

Вълна, минаваща по протежение на гумена лента или струна, се отразява от фиксиран край; това създава вълна, движеща се в обратна посока.

Когато вълните се наслагват, може да се наблюдава феноменът на интерференция. Феноменът на интерференция възниква, когато се наслагват кохерентни вълни.

съгласуван Нареченвълниима еднакви честоти, постоянна фазова разлика и трептенията възникват в една и съща равнина.

намеса наречено постоянно във времето явление на взаимно усилване и отслабване на трептенията в различни точкисреда в резултат на наслагване на кохерентни вълни.

Резултатът от наслагването на вълните зависи от фазите, в които трептенията се наслагват една върху друга.

Ако вълните от източници A и B пристигат в точка C в същите фази, тогава трептенията ще се увеличат; ако е в противоположни фази, тогава има отслабване на трептенията. В резултат на това в пространството се образува стабилен модел от редуващи се области на засилени и отслабени трептения.

Максимални и минимални условия

Ако трептенията на точки A и B съвпадат по фаза и имат еднакви амплитуди, тогава е очевидно, че полученото изместване в точка C зависи от разликата между пътищата на двете вълни.

Максимални условия

Ако разликата между пътищата на тези вълни е равна на цял брой вълни (т.е. четен брой полувълни) Δd = kλ , където к= 0, 1, 2, ..., тогава се образува интерференционен максимум в точката на суперпозиция на тези вълни.

Максимално състояние :

A = 2x0.

Минимално състояние

Ако разликата в пътя на тези вълни е равна на нечетен брой полувълни, тогава това означава, че вълните от точки A и B ще дойдат в точка C в противофаза и ще се компенсират взаимно.

минимално условие:

Амплитудата на полученото трептене A = 0.

Ако Δd не е равно на цял брой полувълни, тогава 0< А < 2х 0 .

Дифракция на вълни.

Явлението на отклонение от праволинейното разпространение и закръгляне на препятствия от вълни се наричадифракция.

Връзката между дължината на вълната (λ) и размера на препятствието (L) определя поведението на вълната. Дифракцията е най-силно изразена, ако падащата дължина на вълната повече размерипрепятствия. Експериментите показват, че дифракцията винаги съществува, но става забележима при условие д<<λ , където d е размерът на препятствието.

Дифракцията е често срещано свойство на вълни от всякакво естество, което винаги се появява, но условията за нейното наблюдение са различни.

Вълна върху водната повърхност се разпространява към достатъчно голямо препятствие, зад което се образува сянка, т.е. не се наблюдава вълнов процес. Това свойство се използва при изграждането на вълноломи в пристанищата. Ако размерът на препятствието е сравним с дължината на вълната, тогава ще има вълна зад препятствието. Зад него вълната се разпространява така, сякаш изобщо няма пречка, т.е. се наблюдава дифракция на вълната.

Примери за проявление на дифракция . Чувайки силен разговор зад ъгъла на къщата, звуци в гората, вълни на повърхността на водата.

стоящи вълни

стоящи вълни се образуват чрез добавяне на директните и отразените вълни, ако имат еднаква честота и амплитуда.

В струна, фиксирана в двата края, възникват сложни вибрации, които могат да се разглеждат като резултат от суперпозиция ( суперпозиции) две вълни, разпространяващи се в противоположни посоки и изпитващи отражения и повторни отражения в краищата. Вибрациите на струните, фиксирани в двата края, създават звуците на всички струнни музикални инструменти. Много подобно явление се случва и със звука на духови инструменти, включително и органови тръби.

вибрации на струните. В опъната струна, фиксирана в двата края, когато се възбуждат напречни вибрации, стоящи вълни , а възлите трябва да бъдат разположени на местата, където е фиксирана връвта. Следователно струната се вълнува с забележима интензивност само такива вибрации, половината от дължината на вълната на които се вписва в дължината на струната цял брой пъти.

Това предполага условието

Дължините на вълната съответстват на честотите

n = 1, 2, 3...Честоти vн Наречен естествени честоти струни.

Хармонични вибрации с честоти vн Наречен собствени или нормални вибрации . Те също се наричат ​​хармоници. Като цяло вибрацията на струната е суперпозиция на различни хармоници.

Уравнение на стоящата вълна :

В точки, където координатите удовлетворяват условието (н= 1, 2, 3, ...), общата амплитуда е равна на максималната стойност - това антивъзли стояща вълна. Координати на антивъзела :

В точки, чиито координати удовлетворяват условието (н= 0, 1, 2,…), общата амплитуда на трептене е равна на нула – това възлистояща вълна. Координати на възел:

Образуването на стоящи вълни се наблюдава при намеса на пътуващите и отразените вълни. На границата, където се отразява вълната, се получава антивъзел, ако средата, от която се получава отражението, е по-малко плътна (а), и възел се получава, ако е по-плътна (b).

Ако преценим пътуваща вълна , след това в посока на разпространението му енергията се пренасяосцилаторно движение. Кога един и същ няма стояща вълна на пренос на енергия , защото падащите и отразените вълни с еднаква амплитуда носят една и съща енергия в противоположни посоки.

Постоянните вълни възникват например в струна, опъната в двата края, когато в нея се възбуждат напречни вибрации. Освен това в местата за закрепване има възли на стояща вълна.

Ако се установи стояща вълна във въздушен стълб, който е отворен в единия край (звукова вълна), тогава в отворения край се образува антивъзел, а в противоположния край се образува възел.

вълнов процес- процесът на пренос на енергия без пренасяне на материя.

механична вълна- смущение, разпространяващо се в еластична среда.

Наличието на еластична среда е необходимо условие за разпространението на механични вълни.

Пренасянето на енергия и импулс в средата се осъществява в резултат на взаимодействието между съседните частици на средата.

Вълните са надлъжни и напречни.

Надлъжна механична вълна - вълна, при която движението на частиците от средата се извършва в посока на разпространение на вълната. Напречна механична вълна - вълна, при която частиците на средата се движат перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната.

Надлъжните вълни могат да се разпространяват във всяка среда. Напречните вълни не се срещат в газове и течности, тъй като те

няма фиксирани позиции на частиците.

Периодичното външно действие причинява периодични вълни.

хармонична вълна- вълна, генерирана от хармонични вибрации на частиците на средата.

Дължина на вълната- разстоянието, на което вълната се разпространява през периода на трептене на нейния източник:

механична скорост на вълната- скорост на разпространение на смущението в средата. Поляризацията е подреждането на посоките на трептения на частици в среда.

Равнина на поляризация- равнината, в която частиците на средата вибрират във вълната. Линейно поляризирана механична вълна е вълна, чиито частици трептят в определена посока (линия).

Поляризатор- устройство, което излъчва вълна с определена поляризация.

стояща вълна- вълна, образувана в резултат на наслагването на две хармонични вълни, които се разпространяват една към друга и имат еднакъв период, амплитуда и поляризация.

Антиноди на стояща вълна- позицията на точките с максимална амплитуда на трептения.

Възли от стояща вълна- неподвижни точки на вълната, чиято амплитуда на трептене е равна на нула.

На дължината l на низ, фиксиран в краищата, се вписват цяло число n полувълни от напречни стоящи вълни:

Такива вълни се наричат ​​режими на трептене.

Режимът на трептене за произволно цяло число n > 1 се нарича n-ти хармоник или n-ти обертон. Режимът на трептене за n = 1 се нарича първи хармоничен или основен режим на трептене. звукови вълни- еластични вълни в средата, които предизвикват слухови усещания у човек.

Честотата на трептенията, съответстващи на звуковите вълни, е в диапазона от 16 Hz до 20 kHz.

Скоростта на разпространение на звуковите вълни се определя от скоростта на предаване на взаимодействието между частиците. Скоростта на звука в твърдо вещество v p, като правило, е по-голяма от скоростта на звука в течност v l, което от своя страна надвишава скоростта на звука в газ v g.

Звуковите сигнали се класифицират по височина, тембър и сила на звука. Височината на звука се определя от честотата на източника на звукови вибрации. Колкото по-висока е честотата на трептене, толкова по-висок е звукът; вибрации на ниски честоти съответстват на ниски звуци. Тембърът на звука се определя от формата на звуковите вибрации. Разликата във формата на вибрациите с един и същи период е свързана с различни относителни амплитуди на основния лад и обертона. Силата на звука се характеризира с нивото на интензитета на звука. Интензитет на звука - енергията на звуковите вълни, падащи върху площ от 1 m 2 за 1 s.

Вълни. Общи свойства на вълните.

Вълна - това е явлението на разпространение в пространството във времето на промяна (смущение) на физическо количество, което носи енергия със себе си.

Независимо от естеството на вълната, преносът на енергия става без пренасяне на материя; последното може да се появи само като страничен ефект. Пренос на енергия- фундаменталната разлика между вълни и трептения, при които се случват само "локални" енергийни трансформации. Вълните, като правило, могат да пътуват на значителни разстояния от мястото на произход. Поради тази причина вълните понякога се наричат ​​" вибрация, отделена от излъчвателя».

Вълните могат да бъдат класифицирани

По своята същност:

Еластични вълни -вълни, разпространяващи се в течни, твърди и газообразни среди поради действието на еластични сили.

Електромагнитни вълни- разпространяващо се в пространството смущение (смяна на състоянието) на електромагнитното поле.

Вълни на повърхността на течност- общоприетото име за различни вълни, които възникват на границата между течност и газ или течност и течност. Вълните върху водата се различават по основния механизъм на трептене (капилярна, гравитационна и др.), което води до различни закони на дисперсията и в резултат на това до различно поведение на тези вълни.

По отношение на посоката на трептене на частиците на средата:

Надлъжни вълни -частиците на средата осцилират успореднов посоката на разпространение на вълната (както например в случая на разпространение на звука).

напречни вълни -частиците на средата осцилират перпендикулярнопосоката на разпространение на вълната (електромагнитни вълни, вълни върху повърхности за разделяне на медиите).

а - напречен; б - надлъжно.

смесени вълни.

Според геометрията на фронта на вълната:

Вълновата повърхност (вълнов фронт) е местоположението на точките, до които смущението е достигнало до даден момент от времето. В хомогенна изотропна среда скоростта на разпространение на вълната е една и съща във всички посоки, което означава, че всички точки на фронта трептят в една и съща фаза, фронтът е перпендикулярен на посоката на разпространение на вълната и стойностите на осцилирането количеството във всички точки на предната част са еднакви.

апартаментвълнови фазови равнини са перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната и успоредни една на друга.

сферичнавълна - повърхността на равни фази е сфера.

Цилиндричнавълна - повърхността на фазите наподобява цилиндър.

Спиралавълна - образува се, ако сферичен или цилиндричен източник/източници на вълната в процеса на излъчване се движи по определена затворена крива.

плоска вълна

Вълната се нарича плоска, ако нейните вълнови повърхности са равнини, успоредни една на друга, перпендикулярни на фазовата скорост на вълната. = f(x, t)).

Нека разгледаме плоска монохроматична (едночестотна) синусоидална вълна, разпространяваща се в хомогенна среда без затихване по оста X.

,където

Фазовата скорост на вълната е скоростта на вълновата повърхност (предна),

- амплитуда на вълната - модулът на максималното отклонение на променящата се стойност от равновесното положение,

– циклична честота, T – период на трептене, – честота на вълната (подобно на трептения)

k - вълново число, има значението на пространствена честота,

Друга характеристика на вълната е дължината на вълната m, това е разстоянието, на което вълната се разпространява за един период на трептене, има значението на пространствен период, това е най-краткото разстояние между точките, осцилиращи в една фаза.

г

Дължината на вълната е свързана с вълновото число чрез релацията , която е подобна на времевата връзка

Вълновото число е свързано с цикличната честота и скоростта на разпространение на вълната

х
г
г

Фигурите показват осцилограма (а) и моментна снимка (b) на вълна с посочените времеви и пространствени периоди. За разлика от стационарните трептения, вълните имат две основни характеристики: времева периодичност и пространствена периодичност.

Общи свойства на вълните:

1. 
   Вълните носят енергия.

Интензитетът на вълната е осреднената във времето енергия, която електромагнитна или звукова вълна предава за единица време през единица площ от повърхност, разположена перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната. Интензитетът на вълната е пропорционален на квадрата на амплитудата й. I=W/t∙S, където W е енергията, t е времето, S е площта на фронта. I=[W/m2]. Също така, интензитетът на всяка вълна може да се определи чрез I=wv, където v е скоростта на разпространение на вълната (група).

2. Вълните оказват натиск върху телата (имат инерция).

3. Скоростта на вълната в среда зависи от честотата на вълната - дисперсия.Така вълни с различни честоти се разпространяват в една и съща среда с различна скорост (фазова скорост).

4. Вълните се огъват около препятствията – дифракция.

Дифракция възниква, когато размерът на препятствието е сравним с дължината на вълната.

5. На границата между две среди вълните се отразяват и пречупват.

Ъгълът на падане е равен на ъгъла на отражение, а съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е постоянна стойност за тези две среди.

6. Когато се наслагват кохерентни вълни (фазовата разлика на тези вълни във всяка точка е постоянна във времето), те се намесват – образува се стабилен модел на интерференционни минимуми и максимуми.

Вълните и източниците, които ги възбуждат, се наричат ​​кохерентни, ако фазовата разлика на вълните не зависи от времето. Вълните и източниците, които ги възбуждат, се наричат ​​некохерентни, ако фазовата разлика на вълните се променя с времето.

Само вълни с една и съща честота, при които се появяват трептения в една и съща посока (т.е. кохерентни вълни), могат да се намесват. Смущенията могат да бъдат стационарни или нестационарни. Само кохерентните вълни могат да дадат стационарна интерференционна картина. Например, две сферични вълни на повърхността на водата, разпространяващи се от два кохерентни точкови източника, ще произведат резултантна вълна при интерференция. Предната част на получената вълна ще бъде сфера.

Когато вълните се намесват, техните енергии не се сумират. Интерференцията на вълните води до преразпределение на енергията на трептения между различни близко разположени частици на средата. Това не противоречи на закона за запазване на енергията, тъй като средно за голяма област от пространството енергията на получената вълна е равна на сумата от енергиите на интерфериращите вълни.

Когато се наслагват некохерентни вълни, средната стойност на квадратната амплитуда на получената вълна е равна на сумата от квадратите на амплитудите на насложените вълни. Енергията на получените трептения на всяка точка от средата е равна на сумата от енергиите на нейните трептения, дължащи се на всички некохерентни вълни поотделно.

7. Вълните се поглъщат от средата. С разстояние от източника амплитудата на вълната намалява, тъй като енергията на вълната частично се прехвърля към средата.

8. Вълните се разпръскват в нехомогенна среда.

Разсейване - смущения на вълнови полета, причинени от нехомогенности на средата и разсейващи обекти, поставени в тази среда. Интензитетът на разсейване зависи от размера на нехомогенностите и честотата на вълната.

механични вълни. Звук. Звукова характеристика .

Вълна- смущение, разпространяващо се в пространството.

Общи свойства на вълните:

• 
  носят енергия;
• 
  имат инерция (оказват натиск върху телата);
• 
  на границата на две среди те се отразяват и пречупват;
• 
  абсорбира се от околната среда;
• 
  дифракция;
• 
  смущения;
• 
  дисперсия;
• 
  Скоростта на вълните зависи от средата, през която преминават вълните.

1. 
   Механични (еластични) вълни.

Ако на някое място на еластична (твърда, течна или газообразна) среда се възбуждат трептения на частици, тогава поради взаимодействието на атоми и молекули на средата, трептения започват да се предават от една точка в друга с крайна скорост в зависимост от плътността и еластичните свойства на средата. Това явление се нарича механична или еластична вълна. Имайте предвид, че механичните вълни не могат да се разпространяват във вакуум.

Специален случай на механични вълни - вълни на повърхността на течност, вълни, които възникват и се разпространяват по свободната повърхност на течност или на границата между две несмесващи се течности. Те се образуват под въздействието на външно въздействие, в резултат на което повърхността на течността се извежда от равновесното състояние. В този случай възникват сили, които възстановяват баланса: силите на повърхностното напрежение и гравитацията.

Механичните вълни са два вида

Надлъжните вълни, придружени от деформации на опън и натиск, могат да се разпространяват във всяка еластична среда: газове, течности и твърди тела. Напречните вълни се разпространяват в онези среди, където се появяват еластични сили по време на деформация на срязване, т.е. в твърди тела.

От значителен интерес за практиката са простите хармонични или синусоидални вълни. Уравнението на плоската синусоида е:

- така нареченият вълново число ,

– кръгова честота ,

НО - амплитуда на трептене на частици.

Фигурата показва "моментни снимки" на напречна вълна в две точки във времето: t и t + Δt. През времето Δt вълната се движи по оста OX на разстояние υΔt. Такива вълни се наричат ​​пътуващи вълни.

Дължината на вълната λ е разстоянието между две съседни точки по оста OX, които осцилират в същите фази. На разстояние, равно на дължината на вълната λ, вълната преминава през период T, следователно,

λ = υT, където υ е скоростта на разпространение на вълната.

За всяка избрана точка на графиката на вълновия процес (например за точка A), x-координата на тази точка се променя във времето t и стойността на израза ωt – kxне се променя. След времеви интервал Δt точка А ще се движи по оста OX за определено разстояние Δx = υΔt. следователно: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = constили ωΔt = kΔx.

Това предполага:

По този начин една пътуваща синусоидална вълна има двойна периодичност – във времето и пространството. Периодът от време е равен на периода на трептене T на частиците на средата, пространственият период е равен на дължината на вълната λ. Вълновото число е пространственият аналог на кръговата честота.

1. 
   Звук.

Звук- това са механични вибрации, които се разпространяват в еластични среди - газове, течности и твърди тела, възприемани от органите на слуха. Звукът е вълна с доста нисък интензитет.Обхватът на звуковите честоти е в диапазона от приблизително 20 Hz до 20 kHz. Наричат ​​се вълни с честота по-малка от 20 Hz инфразвуки с честота над 20 kHz - ултразвук. Наричат ​​се вълни с честоти от до Hz хиперзвуков. Клонът на физиката, който се занимава с изучаване на звукови явления, се нарича акустика.

Всеки осцилаторен процес се описва с уравнение. Той също е получен за звукови вибрации:

Основни характеристики на звуковите вълни

Субективно възприемане на звука (сила, височина, тембър)

Обективни физически характеристики на звука (скорост, интензитет, спектър)

Скоростта на звука във всяка газообразна среда се изчислява по формулата:

β - адиабатна свиваемост на средата,

ρ - плътност.

1. 
   Прилагане на звук

Добре известни животни, които имат способността за ехолокация, са прилепите и делфините. По своето съвършенство ехолокаторите на тези животни не са по-ниски, но в много отношения превъзхождат (по отношение на надеждност, точност, енергийна ефективност) съвременните изкуствени ехолокатори.

Сонарите, използвани под вода, се наричат ​​сонар или сонар (името сонар се образува от началните букви на три английски думи: звук - звук; навигация - навигация; обхват - обхват). Сонарите са незаменими за изследване на морското дъно (неговия профил, дълбочина), за откриване и изследване на различни обекти, движещи се дълбоко под водата. С тяхна помощ могат лесно да бъдат открити както отделни големи предмети или животни, така и стада малки риби или мекотели.

Вълните от ултразвукови честоти се използват широко в медицината за диагностични цели. Ултразвуковите скенери ви позволяват да изследвате вътрешните органи на човек. Ултразвуковото лъчение е по-малко вредно за хората от рентгеновите лъчи.

Електромагнитни вълни.

Техните свойства.

електромагнитна вълна е електромагнитно поле, което се разпространява в пространството във времето.

Електромагнитните вълни могат да бъдат възбудени само от бързо движещи се заряди.

Съществуването на електромагнитни вълни е теоретично предсказано от великия английски физик Дж. Максуел през 1864г. Той предложи нова интерпретация на закона на Фарадей за електромагнитната индукция и доразви идеите си.

Всяка промяна в магнитното поле генерира вихрово електрическо поле в околното пространство, променящо се във времето електрическо поле генерира магнитно поле в околното пространство.

Фигура 1. Променливо електрическо поле генерира променливо магнитно поле и обратно

Свойства на електромагнитните вълни въз основа на теорията на Максуел:

Електромагнитни вълни напречен – вектори и са перпендикулярни един на друг и лежат в равнина, перпендикулярна на посоката на разпространение.

Фигура 2. Разпространение на електромагнитна вълна

Електрическите и магнитните полета в бягащата вълна се променят в една фаза.

Векторите в пътуваща електромагнитна вълна образуват така наречения десен триплет от вектори.

Трептенията на векторите и се случват във фаза: в един и същи момент от време, в една точка от пространството, проекциите на силите на електрическото и магнитното поле достигат максимум, минимум или нула.

Електромагнитните вълни се разпространяват в материята с крайна скорост

Където - диелектричната и магнитната проницаемост на средата (скоростта на разпространение на електромагнитна вълна в средата зависи от тях),

Електрически и магнитни константи.

Скоростта на електромагнитните вълни във вакуум

Плътност на потока на електромагнитната енергия илиинтензивност Дж наречена електромагнитна енергия, пренесена от вълна за единица време през повърхността на единица площ:

,

Замествайки тук изразите за , и υ и като вземем предвид равенството на обемните енергийни плътности на електрическото и магнитното поле в електромагнитна вълна, можем да получим:

Електромагнитните вълни могат да бъдат поляризирани.

По същия начин, електромагнитните вълни притежават всички основни свойства на вълните : те носят енергия, имат импулс, те се отразяват и пречупват на границата между две среди, абсорбирани от средата, проявяват свойствата на дисперсия, дифракция и интерференция.

Експерименти на Hertz (експериментално откриване на електромагнитни вълни)

За първи път бяха изследвани експериментално електромагнитните вълни

Херц през 1888 г. Той разработи успешен дизайн на генератор на електромагнитни трептения (вибратор на Hertz) и метод за тяхното откриване чрез резонансния метод.

Вибраторът се състои от два линейни проводника, в краищата на които има метални топки, образуващи искрова междина. Когато се приложи високо напрежение от индукцията към трупа, в процепа изскочи искра, която закъса празнината. По време на неговото изгаряне във веригата се извършват голям брой трептения. Приемникът (резонаторът) се състоеше от проводник с искрова междина. Наличието на резонанс се изразява в появата на искри в искровата междина на резонатора в отговор на искра, възникваща във вибратора.

Така експериментите на Херц осигуряват солидна основа за теорията на Максуел. Предвидените от Максуел електромагнитни вълни се оказаха реализирани на практика.

ПРИНЦИПИ НА РАДИОСЪОБЩЕНИЕТО

Радио комуникация предаване и приемане на информация с помощта на радиовълни.

На 24 март 1896 г., на заседание на Физическия отдел на Руското физико-химическо общество, Попов, използвайки своите инструменти, ясно демонстрира предаването на сигнали на разстояние от 250 m, предавайки първата в света радиограма с две думи „Хайнрих Херц".

СХЕМА НА ПРИЕМАТЕЛЯ А.С.ПОПОВ

Попов използва радиотелеграфна комуникация (предаване на сигнали с различна продължителност), такава комуникация може да се осъществи само с помощта на код. Като източник на радиовълни е използван искров предавател с вибратор на Hertz, а за приемник служи кохерер, стъклена тръба с метални стърготини, чието съпротивление при удар на електромагнитна вълна пада стотици пъти. За да се повиши чувствителността на кохерера, единият му край е заземен, а другият е свързан към проводник, издигнат над Земята, като общата дължина на антената е една четвърт от дължината на вълната. Сигналът на искровия предавател бързо се разпада и не може да се предава на дълги разстояния.

Радиотелефонните комуникации (реч и музика) използват високочестотен модулиран сигнал. Нискочестотен (звуков) сигнал носи информация, но практически не се излъчва, а високочестотен сигнал се излъчва добре, но не носи информация. Модулацията се използва за радиотелефонна комуникация.

модулация - процесът на установяване на съответствие между параметрите на ВЧ и НЧ сигнала.

В радиотехниката се използват няколко вида модулации: амплитуда, честота, фаза.

Амплитудна модулация - промяна в амплитудата на трептения (електрически, механични и др.), настъпващи с честота, много по-ниска от честотата на самите трептения.

Високочестотно хармонично трептене ω се модулира по амплитуда от нискочестотно хармонично трептене Ω (τ = 1/Ω е неговият период), t е времето, A е амплитудата на високочестотното трептене, T е неговият период.

Схема за радио комуникации, използваща AM сигнал

AM осцилатор

Амплитудата на RF сигнала се променя в зависимост от амплитудата на LF сигнала, след което модулираният сигнал се излъчва от предавателната антена.

В радиоприемника приемната антена улавя радиовълни, в осцилаторната верига, поради резонанс, се избира и усилва сигналът, към който е настроена веригата (носещата честота на предавателната станция), след това нискочестотният компонент на сигнала трябва да бъде избран.

Детекторно радио

Откриване – процесът на преобразуване на високочестотен сигнал в нискочестотен. Сигналът, получен след засичане, съответства на звуковия сигнал, който е въздействал на микрофона на предавателя. След усилване нискочестотните вибрации могат да се превърнат в звук.

Детектор (демодулатор)

Диодът се използва за коригиране на променлив ток

а) AM сигнал, б) засечен сигнал

РАДАР

Откриването и точното определяне на местоположението на обектите и скоростта на тяхното движение с помощта на радиовълни се нарича радар . Принципът на радара се основава на свойството да отразява електромагнитните вълни от метали.

1 - въртяща се антена; 2 - превключвател на антената; 3 - предавател; 4 - приемник; 5 - скенер; 6 - индикатор за разстояние; 7 - пътепоказател.

За радар се използват високочестотни радиовълни (VHF), с тяхна помощ лесно се формира насочен лъч и мощността на излъчване е висока. В метровия и дециметровия диапазон - решетъчни системи от вибратори, в сантиметровия и милиметровия диапазон - параболични излъчватели. Локацията може да се извършва както в непрекъснат (за откриване на цел), така и в импулсен (за определяне на скоростта на обект) режим.

Области на приложение на радарите:

• 
  Авиация, космонавтика, флот: безопасност на движението на кораби при всяко време и по всяко време на денонощието, предотвратяване на сблъсъка им, безопасност при излитане и др. кацания на самолети.
• 
  Война: навременно откриване на вражески самолети или ракети, автоматично регулиране на зенитния огън.
• 
  Планетарен радар: измерване на разстоянието до тях, уточняване на параметрите на техните орбити, определяне на периода на въртене, наблюдение на топографията на повърхността. В бившия Съветски съюз (1961) - радар на Венера, Меркурий, Марс, Юпитер. В САЩ и Унгария (1946 г.) - експеримент за получаване на сигнал, отразен от повърхността на Луната.

ТЕЛЕВИЗИЯ

Телекомуникационната схема основно съвпада с радиокомуникационната схема. Разликата е, че освен звуковия сигнал се предават изображение и управляващи сигнали (смяна на линията и смяна на рамката), за да се синхронизира работата на предавателя и приемника. В предавателя тези сигнали се модулират и предават, в приемника те се улавят от антената и отиват за обработка, всеки по своя път.

Помислете за една от възможните схеми за преобразуване на изображение в електромагнитни трептения с помощта на иконоскоп:

С помощта на оптична система върху мозаечния екран се проектира изображение, поради фотоелектричния ефект екранните клетки придобиват различен положителен заряд. Електронният пистолет генерира електронен лъч, който се движи по екрана, разреждайки положително заредени клетки. Тъй като всяка клетка е кондензатор, промяната в заряда води до появата на променящо се напрежение - електромагнитно трептене. След това сигналът се усилва и се подава в модулиращото устройство. В кинескопа видеосигналът се преобразува обратно в изображение (по различни начини, в зависимост от принципа на работа на кинескопа).

Тъй като телевизионният сигнал носи много повече информация от радиото, работата се извършва при високи честоти (метри, дециметри).

Разпространение на радиовълни.
Радиовълна -е електромагнитна вълна в обхвата (10 4

Всяка част от тази гама се прилага там, където нейните предимства могат да се използват най-добре. Радиовълните с различни обхвати се разпространяват на различни разстояния. Разпространението на радиовълните зависи от свойствата на атмосферата. Земната повърхност, тропосферата и йоносферата също оказват силно влияние върху разпространението на радиовълните.

Разпространение на радиовълни- това е процесът на предаване на електромагнитни трептения на радиообхвата в пространството от едно място на друго, по-специално от предавател към приемник.
Вълните с различни честоти се държат различно. Нека разгледаме по-подробно характеристиките на разпространението на дълги, средни, къси и ултракъси вълни.
Разпространение на дълги вълни.

Дълги вълни (>1000 m) се разпространяват:

• 
  На разстояния до 1-2 хиляди км поради дифракция на сферичната повърхност на Земята. Възможност за обикаляне Земята(Фигура 1). Тогава тяхното разпространение се осъществява поради направляващото действие на сферичния вълновод, без да се отразява.

Ориз. един

Качество на връзката:

стабилност на приемане. Качеството на приемане не зависи от времето на деня, годината, метеорологичните условия.

недостатъци:

Поради силното поглъщане на вълната, докато се разпространява над земната повърхност, са необходими голяма антена и мощен предавател.

Атмосферните разряди (мълнии) пречат.

Употреба:

• 
  Обхватът се използва за радиоразпръскване, за радиотелеграфия, радионавигационни услуги и за комуникация с подводници.
• 
  Има малък брой радиостанции, предаващи точни времеви сигнали и метеорологични доклади.

Разпространение на средни вълни

Средни вълни ( =100..1000 m) се разпространяват:

• 
  Подобно на дългите вълни, те са в състояние да се огъват около земната повърхност.
• 
  Подобно на късите вълни, те също могат да бъдат многократно отразени от йоносферата.

На големи разстояния от предавателя приемането може да е лошо през деня, но приемането се подобрява през нощта. Силата на приема зависи и от времето на годината. Така през деня те се разпространяват като кратки, а през нощта - толкова дълги.

Качество на връзката:

• 
  Кратък обхват на комуникация. Средно вълновите станции се чуват в рамките на хиляда километра. Но има високо ниво на атмосферни и промишлени смущения.

Употреба:

• 
  Използва се за официални и любителски комуникации, както и предимно за излъчване.

Разпространениекъс вълни

Късите вълни (=10..100 m) се разпространяват:

• 
  Многократно отразено от йоносферата и земната повърхност (фиг. 2)

Качество на връзката:

Качеството на приемане при къси вълни зависи много от различни процеси в йоносферата, свързани с нивото на слънчевата активност, времето на годината и времето на деня. Не се изискват предаватели с висока мощност. За комуникация между наземни станции и космически кораби те са неподходящи, тъй като не преминават през йоносферата.

Употреба:

• 
  За комуникация на дълги разстояния. За телевизионно, радиоразпръскване и радиовръзка с движещи се обекти. Има ведомствени телеграфни и телефонни радиостанции. Този диапазон е най-„населеният“.

Разпределение на ултракъсивълни

Ултракъси вълни (

• 
  Понякога те могат да бъдат отразени от облаци, изкуствени спътници на земята или дори от луната. В този случай обхватът на комуникация може леко да се увеличи.

Качество на връзката:

Приемането на ултракъси вълни се характеризира с постоянство на чуваемостта, липса на избледняване, както и намаляване на различни смущения.

Комуникацията на тези вълни е възможна само на разстояние от линията на видимост Л(фиг. 7).

Тъй като ултракъсите вълни не се разпространяват отвъд хоризонта, става необходимо да се изградят много междинни предаватели - ретранслатори.

Повторител- устройство, разположено в междинни точки на радиокомуникационни линии, което усилва получените сигнали и ги предава по-нататък.

реле- приемане на сигнали в междинна точка, тяхното усилване и предаване в същата или в друга посока. Повторното предаване е предназначено да увеличи обхвата на комуникация.

Има два начина за препредаване: сателитен и наземен.

сателит:

Активен релеен спътник приема сигнала на наземната станция, усилва го и чрез мощен насочен предавател изпраща сигнала към Земята в същата посока или в различна посока.

земя:

Сигналът се предава до наземна аналогова или цифрова радиостанция или мрежа от такива станции и след това се изпраща по-нататък в същата посока или в различна посока.

1 - радиопредавател,

2 - предавателна антена, 3 - приемна антена, 4 - радиоприемник.

Употреба:

• 
  Контакт изкуствени спътнициЗемята и

космически ракети. Широко използван за телевизионно и радиоразпръскване (VHF и FM обхвати), радионавигация, радар и клетъчни комуникации.

VHF са разделени на следните диапазони:

метрови вълни - от 10 до 1 метър, използван за телефонна комуникация между кораби, кораби и пристанищни служби.

дециметър - от 1 метър до 10 см, използва се за сателитни комуникации.

сантиметър - от 10 до 1 см, използвани в радарите.

милиметър - от 1см до 1мм, използвани основно в медицината.

Механичнивълнавъв физиката това е явлението на разпространение на смущения, придружено от пренасяне на енергия на трептящо тяло от една точка в друга без транспортиране на материя, в някаква еластична среда.

Среда, в която има еластично взаимодействие между молекули (течност, газ или твърдо) е предпоставка за възникване на механични смущения. Те са възможни само когато молекулите на дадено вещество се сблъскват една с друга, пренасяйки енергия. Един пример за такива смущения е звукът (акустична вълна). Звукът може да се движи във въздуха, водата или твърдо тялоно не във вакуум.

За да се създаде механична вълна, е необходима някаква първоначална енергия, която ще изведе средата от равновесие. След това тази енергия ще се предава от вълната. Например, камък, хвърлен в малко количество вода, създава вълна на повърхността. Силен писък създава акустична вълна.

Основните видове механични вълни:

• Звук;
• На повърхността на водата;
• земетресения;
• сеизмични вълни.

Механичните вълни имат пикове и спадове като всички осцилаторни движения. Основните им характеристики са:

• Честота. Това е броят на трептенията в секунда. Мерни единици в SI: [ν] = [Hz] = [s -1].
• Дължина на вълната. Разстоянието между съседни върхове или вдлъбнатини. [λ] = [m].
• Амплитуда. Най-голямото отклонение на точката на средата от положението на равновесие. [X max] = [m].
• Скорост. Това е разстоянието, което вълната изминава за секунда. [V] = [m/s].

Дължина на вълната

Дължината на вълната е разстоянието между точките, които са най-близо една до друга, които се колебаят в едни и същи фази.

Вълните се разпространяват в пространството. Посоката на тяхното разпространение се нарича лъчи се обозначава с линия, перпендикулярна на повърхността на вълната. И скоростта им се изчислява по формулата:

Границата на вълновата повърхност, разделяща частта от средата, в която вече се появяват трептения, от частта на средата, в която трептенията все още не са започнали, - вълнаотпред.

Надлъжни и напречни вълни

Един от начините за класифициране на механичния тип вълни е да се определи посоката на движение на отделни частици от средата във вълна спрямо посоката на нейното разпространение.

В зависимост от посоката на движение на частиците във вълните се различават:

1. напреченвълни.Частиците на средата в този тип вълни осцилират под прав ъгъл спрямо вълновия лъч. Пулсификация в езерце или вибриращи струни на китара могат да помогнат за визуализирането на напречните вълни. Този тип трептене не може да се разпространява в течна или газообразна среда, тъй като частиците на тези среди се движат произволно и е невъзможно да се организира движението им перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната. Напречният тип вълни се движи много по-бавно от надлъжния.
2. Надлъжновълни.Частиците на средата трептят в същата посока, в която се разпространява вълната. Някои вълни от този тип се наричат ​​компресионни или компресионни вълни. Надлъжни вибрациипружини - периодични компресии и разширения - осигуряват добра визуализация на такива вълни. Надлъжните вълни са най-бързите вълни от механичния тип. Звуковите вълни във въздуха, цунами и ултразвук са надлъжни. Те включват определен тип сеизмични вълни, разпространяващи се под земята и във водата.