Lorsqu'une onde mécanique se propage, Ondes mécaniques : source, propriétés, formules

Vague– le processus de propagation des oscillations dans un milieu élastique.

onde mécanique– les perturbations mécaniques se propageant dans l'espace et transportant de l'énergie.

Type de vagues:

longitudinal - les particules du milieu oscillent dans le sens de la propagation des ondes - dans tous les milieux élastiques ;

X

sens d'oscillation

points de l'environnement

transverse - les particules du milieu oscillent perpendiculairement à la direction de propagation des ondes - à la surface du liquide.

X

Types d'ondes mécaniques :

ondes élastiques - propagation des déformations élastiques ;

ondes à la surface d'un liquide.

Caractéristiques des vagues :

Soit A osciller selon la loi :
.

Alors B oscille avec un retard d'un angle
, où
, c'est à dire.

Vague d'énérgie.

est l'énergie totale d'une particule. Si particulesN, alors où - epsilon, V - volume.

Epsilon– énergie par unité de volume de l'onde – densité d'énergie volumétrique.

Le flux d'énergie des vagues est égal au rapport de l'énergie transférée par les vagues à travers une certaine surface sur le temps pendant lequel ce transfert s'effectue :
, watt; 1 watt = 1J/s.

Densité de flux d'énergie - Intensité des vagues- flux d'énergie à travers une unité de surface - une valeur égale à l'énergie moyenne transférée par une onde par unité de temps par unité de surface de la section transversale.

[W/m2]

.

Vecteur Umov– vecteur I montrant la direction de propagation des ondes et égal au débit l'énergie des vagues traversant une unité de surface perpendiculaire à cette direction :

.

Caractéristiques physiques de la vague:

Vibratoire :

1. amplitude

Vague:

1. longueur d'onde

   vitesse des vagues

   intensité

Vibrations complexes (relaxation) - différentes des sinusoïdales.

Transformée de Fourier- toute fonction périodique complexe peut être représentée comme la somme de plusieurs fonctions simples (harmoniques) dont les périodes sont des multiples de la période de la fonction complexe - c'est l'analyse harmonique. Se produit dans les analyseurs. Le résultat est le spectre harmonique d'une oscillation complexe :

MAIS

0

Son - vibrations et ondes qui agissent sur l'oreille humaine et provoquent une sensation auditive.

Les vibrations et les ondes sonores sont un cas particulier des vibrations et des ondes mécaniques. Types de sons:

tons- le son, qui est un processus périodique :

1. simple - harmonique - diapason

   complexe - anharmonique - parole, musique

Un ton complexe peut être décomposé en tons simples. La fréquence la plus basse d'une telle décomposition est la tonalité fondamentale, les harmoniques restantes (harmoniques) ont des fréquences égales à 2 autre. Un ensemble de fréquences indiquant leur intensité relative est le spectre acoustique.

Bruit - son avec une dépendance temporelle complexe non répétitive (bruissement, grincement, applaudissements). Le spectre est continu.

Caractéristiques physiques du son:

Caractéristiques de la sensation auditive:

Hauteur est déterminé par la fréquence de l'onde sonore. Plus la fréquence est élevée, plus la tonalité est élevée. Le son de plus grande intensité est plus faible.

Timbre– déterminé par le spectre acoustique. Plus il y a de tons, plus le spectre est riche.

Le volume- caractérise le niveau de sensation auditive. Dépend de l'intensité et de la fréquence du son. Psychophysique Loi de Weber-Fechner: si vous augmentez l'irritation progression géométrique(dans le même nombre de fois), alors la sensation de cette irritation augmentera en progression arithmétique(du même montant).

, où E est l'intensité (mesurée en phons);
- niveau d'intensité (mesuré en bels). 1 bel - changement du niveau d'intensité, ce qui correspond à un changement d'intensité sonore de 10. K - coefficient de proportionnalité, dépend de la fréquence et de l'intensité.

La relation entre le volume et l'intensité du son est courbes d'égale sonie, construits sur des données expérimentales (ils créent un son avec une fréquence de 1 kHz, changent l'intensité jusqu'à ce qu'une sensation auditive se produise similaire à la sensation du volume du son à l'étude). Connaissant l'intensité et la fréquence, vous pouvez trouver le fond.

Audiométrie- une méthode de mesure de l'acuité auditive. L'instrument est un audiomètre. La courbe résultante est un audiogramme. Le seuil de sensation auditive à différentes fréquences est déterminé et comparé.

Sonomètre - mesure du niveau de bruit.

A la clinique: auscultation - stéthoscope / phonendoscope. Un phonendoscope est une capsule creuse avec une membrane et des tubes en caoutchouc.

Phonocardiographie - enregistrement graphique des arrière-plans et des souffles cardiaques.

Percussion.

Ultrason– vibrations mécaniques et ondes de fréquence supérieure à 20 kHz jusqu'à 20 MHz. Les émetteurs ultrasonores sont des émetteurs électromécaniques basés sur l'effet piézoélectrique ( courant alternatif aux électrodes, entre lesquelles - quartz).

La longueur d'onde des ultrasons est inférieure à la longueur d'onde du son : 1,4 m - son dans l'eau (1 kHz), 1,4 mm - ultrasons dans l'eau (1 MHz). L'échographie est bien réfléchie à la frontière os-périoste-muscle. Les ultrasons ne pénétreront pas dans le corps humain s'il n'est pas lubrifié avec de l'huile (couche d'air). La vitesse de propagation des ultrasons dépend de l'environnement. Processus physiques : microvibrations, destruction des biomacromolécules, restructuration et endommagement des membranes biologiques, effet thermique, destruction des cellules et des micro-organismes, cavitation. En clinique : diagnostic (encéphalographe, cardiographe, échographie), kinésithérapie (800 kHz), scalpel ultrasonique, industrie pharmaceutique, ostéosynthèse, stérilisation.

infrason– ondes de fréquence inférieure à 20 Hz. Action indésirable - résonance dans le corps.

vibrations. Action bénéfique et néfaste. Massage. maladie vibratoire.

effet Doppler– modification de la fréquence des ondes perçues par l'observateur (récepteur d'ondes) due au mouvement relatif de la source d'ondes et de l'observateur.

Cas 1 : N se rapproche de I.

Cas 2 : Et s'approche de N.

Cas 3 : rapprochement et éloignement de I et H l'un de l'autre :

Système : générateur d'ultrasons - récepteur - est immobile par rapport au milieu. L'objet est en mouvement. Il reçoit des ultrasons avec une fréquence
, le reflète, l'envoyant au récepteur, qui reçoit une onde ultrasonore avec une fréquence
. Différence de fréquence - décalage de fréquence Doppler:
. Il est utilisé pour déterminer la vitesse du flux sanguin, la vitesse de déplacement des valves.

Thèmes UTILISER le codeur: ondes mécaniques, longueur d'onde, son.

ondes mécaniques - c'est le processus de propagation dans l'espace des oscillations des particules d'un milieu élastique (solide, liquide ou gazeux).

La présence de propriétés élastiques dans un milieu est condition nécessaire propagation des ondes : la déformation qui se produit en tout lieu, due à l'interaction des particules voisines, est successivement transférée d'un point du milieu à un autre. différents types les déformations correspondront à différents types d'ondes.

Ondes longitudinales et transversales.

La vague s'appelle longitudinal, si les particules du milieu oscillent parallèlement à la direction de propagation des ondes. Une onde longitudinale consiste en une alternance de contraintes de traction et de compression. Sur la fig. 1 montre une onde longitudinale, qui est une oscillation de couches planes du milieu ; la direction d'oscillation des couches coïncide avec la direction de propagation des ondes (c'est-à-dire perpendiculaire aux couches).

Une onde est dite transverse si les particules du milieu oscillent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde. Une onde transversale est causée par des déformations de cisaillement d'une couche du milieu par rapport à une autre. Sur la fig. 2, chaque couche oscille sur elle-même et l'onde se propage perpendiculairement aux couches.

Les ondes longitudinales peuvent se propager dans les solides, les liquides et les gaz : dans tous ces milieux, une réaction élastique à la compression se produit, à la suite de quoi il y aura compression et raréfaction se succédant.

Cependant, les liquides et les gaz, contrairement aux solides, n'ont pas d'élasticité vis-à-vis du cisaillement des couches. Par conséquent, les ondes transversales peuvent se propager dans les solides, mais pas dans les liquides et les gaz*.

Il est important de noter que lors du passage de l'onde, les particules du milieu oscillent près de positions d'équilibre constantes, c'est-à-dire qu'en moyenne, elles restent à leur place. La vague ainsi
transfert d'énergie sans transfert de matière.

Le plus facile à apprendre ondes harmoniques. Ils sont causés par une influence extérieure sur l'environnement, changeant selon la loi harmonique. Lorsqu'une onde harmonique se propage, les particules du milieu font vibrations harmoniques avec une fréquence égale à la fréquence de l'influence extérieure. À l'avenir, nous nous limiterons aux ondes harmoniques.

Examinons plus en détail le processus de propagation des ondes. Supposons qu'une particule du milieu (particule ) ait commencé à osciller avec une période . Agissant sur une particule voisine, il l'entraînera avec elle. La particule, à son tour, entraînera la particule avec elle, etc. Ainsi, une onde se produira dans laquelle toutes les particules oscilleront avec une période.

Cependant, les particules ont une masse, c'est-à-dire qu'elles ont une inertie. Il faut un certain temps pour changer leur vitesse. Par conséquent, la particule dans son mouvement sera quelque peu en retard sur la particule , la particule sera en retard sur la particule, etc. Lorsque la particule termine la première oscillation après un certain temps et commence la seconde, la particule , située à une certaine distance de la particule , commencera sa première oscillation.

Ainsi, pendant un temps égal à la période d'oscillation des particules, la perturbation du milieu se propage sur une distance . Cette distance s'appelle longueur d'onde. Les oscillations de la particule seront identiques aux oscillations de la particule, les oscillations de la particule suivante seront identiques aux oscillations de la particule, etc. Les oscillations, pour ainsi dire, se reproduisent à distance peuvent être appelées période d'oscillation spatiale; avec la période de temps, c'est la caractéristique la plus importante du processus d'onde. Dans une onde longitudinale, la longueur d'onde est égale à la distance entre compressions ou raréfactions adjacentes (Fig. 1). Dans la transversale - la distance entre les bosses ou les dépressions adjacentes (Fig. 2). En général, la longueur d'onde est égale à la distance (selon la direction de propagation des ondes) entre deux particules les plus proches du milieu, oscillant de la même manière (c'est-à-dire avec un déphasage égal à ).

Vitesse de propagation des ondes est le rapport de la longueur d'onde à la période d'oscillation des particules du milieu :

La fréquence de l'onde est la fréquence des oscillations des particules :

De là, nous obtenons la relation entre la vitesse de l'onde, la longueur d'onde et la fréquence :

. (1)

Son.

les ondes sonores dans sens large sont des ondes se propageant dans un milieu élastique. Au sens étroit son appelé les ondes sonores dans la gamme de fréquence de 16 Hz à 20 kHz, perçue par l'oreille humaine. Au-dessous de cette plage se trouve la zone infrason, au-dessus - zone ultrason.

Les principales caractéristiques du son sont le volume et la taille.
L'intensité du son est déterminée par l'amplitude des fluctuations de pression dans l'onde sonore et est mesurée en unités spéciales - décibels(dB). Ainsi, le volume de 0 dB est le seuil d'audibilité, 10 dB est le tic-tac d'une horloge, 50 dB est une conversation normale, 80 dB est un cri, 130 dB est la limite supérieure d'audibilité (la soi-disant seuil de la douleur).

Ton - c'est le son que fait un corps, en faisant des vibrations harmoniques (par exemple, un diapason ou une corde). La hauteur est déterminée par la fréquence de ces oscillations : plus la fréquence est élevée, plus le son nous paraît aigu. Ainsi, en tirant sur la corde, on augmente la fréquence de ses oscillations et, par conséquent, la hauteur.

La vitesse du son dans différents supports est différente : plus le support est élastique, plus le son s'y propage rapidement. Dans les liquides, la vitesse du son est supérieure à celle des gaz et dans les solides, elle est supérieure à celle des liquides.
Par exemple, la vitesse du son dans l'air est d'environ 340 m/s (il est commode de s'en souvenir comme "un tiers de kilomètre par seconde") *. Dans l'eau, le son se propage à une vitesse d'environ 1 500 m/s et dans l'acier, à environ 5 000 m/s.
remarquerez que la fréquence le son d'une source donnée dans tous les milieux est le même : les particules du milieu font des oscillations forcées avec la fréquence de la source sonore. D'après la formule (1), on conclut alors qu'en passant d'un milieu à un autre, avec la vitesse du son, la longueur de l'onde sonore change.

ondes mécaniques

Si des oscillations de particules sont excitées à n'importe quel endroit d'un milieu solide, liquide ou gazeux, alors en raison de l'interaction des atomes et des molécules du milieu, les oscillations commencent à se transmettre d'un point à un autre avec une vitesse finie. Le processus de propagation des oscillations dans un milieu est appelé vague .

ondes mécaniques il y a différents types. Si dans une onde les particules du milieu subissent un déplacement dans une direction perpendiculaire à la direction de propagation, alors l'onde est dite transversal . Un exemple d'onde de ce type peut être des vagues courant le long d'un élastique étiré (Fig. 2.6.1) ou le long d'une ficelle.

Si le déplacement des particules du milieu se produit dans le sens de la propagation des ondes, alors l'onde est appelée longitudinal . Les ondes dans une tige élastique (Fig. 2.6.2) ou les ondes sonores dans un gaz sont des exemples de telles ondes.

Les ondes à la surface du liquide ont à la fois des composantes transversales et longitudinales.

Aussi bien en ondes transversales qu'en ondes longitudinales, il n'y a pas de transfert de matière dans le sens de propagation des ondes. Dans le processus de propagation, les particules du milieu oscillent uniquement autour des positions d'équilibre. Cependant, les ondes transportent l'énergie des oscillations d'un point du milieu à un autre.

caractéristique ondes mécaniques est qu'elles se propagent dans les milieux matériels (solides, liquides ou gazeux). Il existe des ondes qui peuvent également se propager dans le vide (par exemple, les ondes lumineuses). Pour les ondes mécaniques, il faut un milieu capable de stocker l'énergie cinétique et potentielle. Par conséquent, l'environnement doit avoir propriétés inertes et élastiques. Dans des environnements réels, ces propriétés sont réparties dans tout le volume. Ainsi, par exemple, tout petit élément d'un corps solide a une masse et une élasticité. Dans le plus simple modèle unidimensionnel un corps solide peut être représenté comme un ensemble de billes et de ressorts (Fig. 2.6.3).

Les ondes mécaniques longitudinales peuvent se propager dans n'importe quel milieu - solide, liquide et gazeux.

Si, dans un modèle unidimensionnel d'un corps rigide, une ou plusieurs billes sont déplacées dans une direction perpendiculaire à la chaîne, une déformation se produira tondre. Les ressorts déformés sous un tel déplacement auront tendance à ramener les particules déplacées vers la position d'équilibre. Dans ce cas, les forces élastiques agiront sur les particules non déplacées les plus proches, tendant à les dévier de la position d'équilibre. En conséquence, une onde transversale courra le long de la chaîne.

Dans les liquides et les gaz, la déformation par cisaillement élastique ne se produit pas. Si une couche de liquide ou de gaz est déplacée d'une certaine distance par rapport à la couche voisine, aucune force tangentielle n'apparaîtra à la frontière entre les couches. Les forces agissant sur la frontière d'un liquide et d'un solide, ainsi que les forces entre les couches adjacentes d'un fluide, sont toujours dirigées le long de la normale à la frontière - ce sont des forces de pression. Il en va de même pour les milieux gazeux. Ainsi, les ondes transversales ne peuvent pas exister dans les milieux liquides ou gazeux.

D'un intérêt considérable pour la pratique sont simples ondes harmoniques ou sinusoïdales . Ils se caractérisent amplitudeUN vibration des particules, la fréquenceF et longueur d'ondeλ. Les ondes sinusoïdales se propagent dans des milieux homogènes avec une certaine vitesse constante υ.

Biais y (X, t) particules du milieu à partir de la position d'équilibre dans une onde sinusoïdale dépend de la coordonnée X sur essieu BŒUF, le long de laquelle se propage l'onde, et à partir du temps t conformément à la loi.

Dans le cours de physique de 7e, vous avez étudié les vibrations mécaniques. Il arrive souvent que, nées en un lieu, les vibrations se propagent aux régions voisines de l'espace. Rappelons par exemple la propagation des vibrations d'un caillou jeté dans l'eau ou les vibrations de la croûte terrestre se propageant depuis l'épicentre d'un tremblement de terre. Dans de tels cas, ils parlent de mouvement ondulatoire - vagues (Fig. 17.1). Dans cette section, vous découvrirez les caractéristiques du mouvement des vagues.

Créer des ondes mécaniques

Soyons beaux longue corde, dont une extrémité est attachée à surface verticale, et nous allons déplacer le second de haut en bas (osciller). Les vibrations de la main se propageront le long de la corde, impliquant progressivement mouvement oscillant des points de plus en plus éloignés - une onde mécanique courra le long de la corde (Fig. 17.2).

Une onde mécanique est la propagation d'oscillations dans un milieu élastique*.

Maintenant, nous fixons horizontalement un long ressort souple et appliquons une série de coups successifs à son extrémité libre - une vague se déroulera au printemps, consistant en des condensations et une raréfaction des spires du ressort (Fig. 17.3).

Les ondes décrites ci-dessus sont visibles, mais la plupart des ondes mécaniques sont invisibles, comme les ondes sonores (Figure 17.4).

À première vue, toutes les ondes mécaniques sont complètement différentes, mais les raisons de leur apparition et de leur propagation sont les mêmes.

On découvre comment et pourquoi une onde mécanique se propage dans un milieu

Toute onde mécanique est créée par un corps oscillant - la source de l'onde. En effectuant un mouvement oscillatoire, la source d'ondes déforme les couches du milieu les plus proches d'elle (les comprime et les étire ou les déplace). En conséquence, des forces élastiques apparaissent qui agissent sur les couches voisines du milieu et les forcent à effectuer des oscillations forcées. Ces couches, à leur tour, déforment les couches suivantes et les font osciller. Progressivement, une à une, toutes les couches du milieu sont mises en mouvement oscillatoire - une onde mécanique se propage dans le milieu.

Riz. 17.6. Dans une onde longitudinale, les couches du milieu oscillent selon la direction de propagation des ondes

Distinguer les ondes mécaniques transversales et longitudinales

Comparons la propagation des ondes le long d'une corde (voir Fig. 17.2) et dans une source (voir Fig. 17.3).

Des parties séparées de la corde se déplacent (oscillent) perpendiculairement à la direction de propagation des ondes (sur la Fig. 17.2, l'onde se propage de droite à gauche et des parties de la corde se déplacent de haut en bas). Ces ondes sont appelées transversales (Fig. 17.5). Lors de la propagation des ondes transversales, certaines couches du milieu se déplacent par rapport à d'autres. La déformation de déplacement s'accompagne de l'apparition de forces élastiques uniquement dans solides, les ondes transversales ne peuvent donc pas se propager dans les liquides et les gaz. Ainsi, les ondes transversales ne se propagent que dans les solides.

Lorsqu'une onde se propage dans un ressort, les spires du ressort se déplacent (oscillent) le long de la direction de propagation de l'onde. Ces ondes sont appelées longitudinales (Fig. 17.6). Lorsqu'une onde longitudinale se propage, des déformations en compression et en traction se produisent dans le milieu (le long de la direction de propagation des ondes, la densité du milieu augmente ou diminue). De telles déformations dans tout milieu s'accompagnent de l'apparition de forces élastiques. Par conséquent, les ondes longitudinales se propagent dans les solides, les liquides et les gaz.

Les ondes à la surface d'un liquide ne sont ni longitudinales ni transversales. Ils ont un caractère longitudinal-transversal complexe, tandis que les particules liquides se déplacent le long d'ellipses. Ceci est facile à vérifier si vous jetez une puce lumineuse dans la mer et observez son mouvement à la surface de l'eau.

Découvrir les propriétés de base des ondes

1. Le mouvement oscillatoire d'un point du milieu à un autre n'est pas transmis instantanément, mais avec un certain retard, de sorte que les ondes se propagent dans le milieu avec une vitesse finie.

2. La source des ondes mécaniques est un corps oscillant. Lorsqu'une onde se propage, les vibrations des parties du milieu sont forcées, de sorte que la fréquence des vibrations de chaque partie du milieu est égale à la fréquence des vibrations de la source d'onde.

3. Les ondes mécaniques ne peuvent pas se propager dans le vide.

4. Le mouvement ondulatoire ne s'accompagne pas de transfert de matière - certaines parties du milieu oscillent uniquement autour des positions d'équilibre.

5. Avec l'arrivée de l'onde, des parties du milieu commencent à bouger (acquièrent de l'énergie cinétique). Cela signifie que lorsque l'onde se propage, de l'énergie est transférée.

Transfert d'énergie sans transfert de matière - la propriété la plus importante n'importe quelle vague.

Rappelez-vous la propagation des ondes à la surface de l'eau (Fig. 17.7). Quelles observations confirment les propriétés fondamentales du mouvement des vagues ?

Nous nous souvenons grandeurs physiques caractérisant les fluctuations

Une onde est la propagation d'oscillations, donc les grandeurs physiques qui caractérisent les oscillations (fréquence, période, amplitude) caractérisent également l'onde. Alors, rappelons-nous le matériel de la 7e année:

	Grandeurs physiques caractérisant les oscillations
	Fréquence d'oscillation ν	Période d'oscillation T	Amplitude d'oscillation A
Définir	nombre d'oscillations par unité de temps	temps d'une oscillation	la distance maximale à laquelle un point s'écarte de sa position d'équilibre
Formule à déterminer
	N est le nombre d'oscillations par intervalle de temps t
Unité en SI		seconde(s)

Noter! Lorsqu'une onde mécanique se propage, toutes les parties du milieu dans lequel l'onde se propage oscillent avec la même fréquence (ν), qui est égale à la fréquence d'oscillation de la source d'onde, donc la période

oscillations (T) pour tous les points du milieu est également la même, car

Mais l'amplitude des oscillations diminue progressivement avec l'éloignement de la source de l'onde.

On connaît la longueur et la vitesse de propagation de l'onde

Rappelez-vous la propagation d'une onde le long d'une corde. Que l'extrémité de la corde effectue une oscillation complète, c'est-à-dire que le temps de propagation de l'onde soit égal à une période (t = T). Pendant ce temps, l'onde s'est propagée sur une certaine distance λ (Fig. 17.8, a). Cette distance s'appelle la longueur d'onde.

La longueur d'onde λ est la distance sur laquelle se propage l'onde en un temps égal à la période T :

où v est la vitesse de propagation des ondes. L'unité de longueur d'onde en SI est le mètre :

Il est facile de voir que les points de la corde, situés à une distance d'une longueur d'onde les uns des autres, oscillent de manière synchrone - ils ont la même phase d'oscillation (Fig. 17.8, b, c). Par exemple, les points A et B de la corde montent en même temps, atteignent la crête d'une vague en même temps, puis commencent à descendre en même temps, et ainsi de suite.

Riz. 17.8. La longueur d'onde est égale à la distance que l'onde se propage lors d'une oscillation (c'est aussi la distance entre les deux crêtes les plus proches ou les deux creux les plus proches)

En utilisant la formule λ = vT, nous pouvons déterminer la vitesse de propagation

nous obtenons la formule de la relation entre la longueur, la fréquence et la vitesse de propagation des ondes - la formule des ondes :

Si une onde passe d'un milieu à un autre, sa vitesse de propagation change, mais la fréquence reste la même, puisque la fréquence est déterminée par la source de l'onde. Ainsi, selon la formule v = λν, lorsqu'une onde passe d'un milieu à un autre, la longueur d'onde change.

Formule vague

Apprendre à résoudre des problèmes

Tâche. L'onde transverse se propage le long de la corde à une vitesse de 3 m/s. Sur la fig. 1 montre la position du cordon à un moment donné et la direction de propagation des ondes. En supposant que le côté de la cage mesure 15 cm, déterminez :

1) amplitude, période, fréquence et longueur d'onde ;

Analyse d'un problème physique, solution

L'onde est transversale, donc les points de la corde oscillent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde (ils se déplacent de haut en bas par rapport à certaines positions d'équilibre).

1) D'après la fig. 1 on voit que l'écart maximal par rapport à la position d'équilibre (amplitude A de l'onde) est égal à 2 cellules. Donc A \u003d 2 15 cm \u003d 30 cm.

La distance entre la crête et le creux est de 60 cm (4 cellules), respectivement, la distance entre les deux crêtes les plus proches (longueur d'onde) est deux fois plus grande. Donc, λ = 2 60 cm = 120 cm = 1,2 m.

On trouve la fréquence ν et la période T de l'onde à l'aide de la formule d'onde :

2) Pour connaître le sens de déplacement des points du cordon, nous effectuons une construction supplémentaire. Laissez l'onde se déplacer sur une petite distance sur un court intervalle de temps Δt. Étant donné que l'onde se déplace vers la droite et que sa forme ne change pas avec le temps, les points de pincement prendront la position illustrée à la Fig. 2 pointillés.

L'onde est transversale, c'est-à-dire que les points de la corde se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde. De la fig. 2 on voit que le point K après l'intervalle de temps Δt sera en dessous de sa position initiale, donc, la vitesse de son déplacement est dirigée vers le bas ; le point B se déplacera plus haut, par conséquent, la vitesse de son mouvement est dirigée vers le haut; le point C se déplacera plus bas, par conséquent, la vitesse de son mouvement est dirigée vers le bas.

Réponse : A = 30 cm ; T = 0,4 s ; v = 2,5 Hz ; λ = 1,2 m ; K et C - vers le bas, B - vers le haut.

Résumé

La propagation des oscillations dans un milieu élastique s'appelle une onde mécanique. Une onde mécanique dans laquelle des parties du milieu oscillent perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde est dite transverse ; une onde dans laquelle des parties du milieu oscillent le long de la direction de propagation de l'onde est dite longitudinale.

L'onde se propage dans l'espace non pas instantanément, mais avec une certaine vitesse. Lorsqu'une onde se propage, l'énergie est transférée sans transfert de matière. La distance sur laquelle l'onde se propage en un temps égal à la période s'appelle la longueur d'onde - c'est la distance entre les deux points les plus proches qui oscillent de manière synchrone (ont la même phase d'oscillation). La longueur λ, la fréquence ν et la vitesse v de propagation des ondes sont liées par la formule d'onde : v = λν.

question test

1. Définir une onde mécanique. 2. Décrire le mécanisme de formation et de propagation d'une onde mécanique. 3. Nommez les principales propriétés du mouvement ondulatoire. 4. Quelles ondes sont dites longitudinales ? transversal? Dans quels environnements se propagent-ils ? 5. Quelle est la longueur d'onde ? Comment est-il défini ? 6. Quelle est la relation entre la longueur, la fréquence et la vitesse de propagation des ondes ?

Exercice numéro 17

1. Déterminez la longueur de chaque vague dans la fig. une.

2. Dans l'océan, la longueur d'onde atteint 270 m et sa période est de 13,5 s. Déterminer la vitesse de propagation d'une telle onde.

3. La vitesse de propagation de l'onde et la vitesse de déplacement des points du milieu dans lequel l'onde se propage coïncident-elles ?

4. Pourquoi une onde mécanique ne se propage-t-elle pas dans le vide ?

5. À la suite de l'explosion produite par les géologues, en la croûte terrestre l'onde s'est propagée à une vitesse de 4,5 km/s. Réfléchie depuis les couches profondes de la Terre, l'onde a été enregistrée à la surface de la Terre 20 s après l'explosion. À quelle profondeur se trouve la roche dont la densité diffère fortement de la densité de la croûte terrestre?

6. Dans la fig. La figure 2 montre deux cordes le long desquelles se propage une onde transversale. Chaque corde indique le sens d'oscillation de l'un de ses points. Déterminer les directions de propagation des ondes.

7. Dans la fig. La figure 3 montre la position de deux filaments le long desquels se propage l'onde, en indiquant le sens de propagation de chaque onde. Pour chaque cas a et b déterminer : 1) amplitude, période, longueur d'onde ; 2) la direction dans laquelle ce moment les points de temps A, B et C du cordon se déplacent ; 3) le nombre d'oscillations que tout point de la corde fait en 30 s. Considérez que le côté de la cage est de 20 cm.

8. Un homme debout sur le bord de la mer a déterminé que la distance entre les crêtes de vagues adjacentes est de 15 m. De plus, il a calculé que 16 crêtes de vagues atteignent le rivage en 75 secondes. Déterminer la vitesse de propagation des ondes.

C'est du matériel scolaire.

Une onde mécanique ou élastique est le processus de propagation d'oscillations dans un milieu élastique. Par exemple, l'air commence à osciller autour d'une corde vibrante ou d'un cône de haut-parleur - la corde ou le haut-parleur est devenu la source d'une onde sonore.

Pour qu'une onde mécanique se produise, deux conditions doivent être remplies - la présence d'une source d'onde (il peut s'agir de n'importe quel corps oscillant) et d'un milieu élastique (gaz, liquide, solide).

Découvrez la cause de la vague. Pourquoi les particules du milieu entourant tout corps oscillant entrent-elles également en mouvement oscillatoire ?

Le modèle le plus simple d'un milieu élastique unidimensionnel est une chaîne de billes reliées par des ressorts. Les boules sont des modèles de molécules, les ressorts qui les relient modélisent les forces d'interaction entre molécules.

Supposons que la première balle oscille avec une fréquence ω. Le ressort 1-2 est déformé, une force élastique y apparaît, qui change avec la fréquence ω. Sous l'action d'une force externe changeant périodiquement, la deuxième boule commence à effectuer des oscillations forcées. Étant donné que les oscillations forcées se produisent toujours à la fréquence de la force d'entraînement externe, la fréquence d'oscillation de la deuxième boule coïncidera avec la fréquence d'oscillation de la première. Cependant, les oscillations forcées de la deuxième balle se produiront avec un certain retard de phase par rapport à la force d'entraînement externe. En d'autres termes, la deuxième balle commencera à osciller un peu plus tard que la première balle.

Les vibrations de la seconde bille provoqueront une déformation périodiquement changeante du ressort 2-3, ce qui fera osciller la troisième bille, et ainsi de suite. Ainsi, toutes les boules de la chaîne seront alternativement entraînées dans un mouvement oscillatoire avec la fréquence d'oscillation de la première boule.

Évidemment, la cause de la propagation des ondes dans un milieu élastique est la présence d'interaction entre molécules. La fréquence d'oscillation de toutes les particules de l'onde est la même et coïncide avec la fréquence d'oscillation de la source d'onde.

Selon la nature des oscillations des particules dans une onde, les ondes sont divisées en ondes transversales, longitudinales et de surface.

À onde longitudinale les particules oscillent le long de la direction de propagation des ondes.

La propagation d'une onde longitudinale est associée à l'apparition de déformations en traction-compression dans le milieu. Dans les zones étirées du milieu, on observe une diminution de la densité de la substance - raréfaction. Dans les zones comprimées du milieu, au contraire, il y a une augmentation de la densité de la substance - ce que l'on appelle l'épaississement. Pour cette raison, une onde longitudinale est un déplacement dans l'espace de zones de condensation et de raréfaction.

La déformation en traction-compression peut se produire dans n'importe quel milieu élastique, de sorte que les ondes longitudinales peuvent se propager dans les gaz, les liquides et les solides. Un exemple d'onde longitudinale est le son.

À onde de cisaillement les particules oscillent perpendiculairement à la direction de propagation des ondes.

Diffusion onde de cisaillement associée à l'apparition d'une déformation de cisaillement dans le milieu. Ce type de déformation ne peut exister que dans solides, les ondes transversales ne peuvent donc se propager que dans les solides. Un exemple d'onde de cisaillement est l'onde S sismique.

ondes de surface se produisent à l'interface entre deux milieux. Les particules oscillantes du milieu ont à la fois des composantes transversales, perpendiculaires à la surface et longitudinales du vecteur de déplacement. Au cours de leurs oscillations, les particules du milieu décrivent des trajectoires elliptiques dans un plan perpendiculaire à la surface et passant par la direction de propagation des ondes. Un exemple d'ondes de surface sont les ondes à la surface de l'eau et les ondes L sismiques.

Le front d'onde est le lieu des points atteints par processus ondulatoire. La forme du front d'onde peut être différente. Les plus courantes sont les ondes planes, sphériques et cylindriques.

Notez que le front d'onde est toujours situé perpendiculaire direction de la vague ! Tous les points du front d'onde commenceront à osciller en une phase.

Pour caractériser le processus ondulatoire, les grandeurs suivantes sont introduites :

1. Fréquence des vaguesν est la fréquence d'oscillation de toutes les particules de l'onde.

2. Amplitude des vagues A est l'amplitude d'oscillation des particules dans l'onde.

3. Vitesse des vaguesυ est la distance sur laquelle le processus ondulatoire (perturbation) se propage par unité de temps.

Veuillez noter que la vitesse de l'onde et la vitesse d'oscillation des particules dans l'onde sont différents concepts! La vitesse d'une onde dépend de deux facteurs : le type d'onde et le milieu dans lequel l'onde se propage.

Le schéma général est le suivant : la vitesse d'une onde longitudinale dans un solide est supérieure à celle dans les liquides, et la vitesse dans les liquides, à son tour, est supérieure à la vitesse d'une onde dans les gaz.

Il n'est pas difficile de comprendre la raison physique de cette régularité. La cause de la propagation des ondes est l'interaction des molécules. Naturellement, la perturbation se propage plus rapidement dans le milieu où l'interaction des molécules est plus forte.

Dans le même milieu, la régularité est différente - la vitesse de l'onde longitudinale est supérieure à la vitesse de l'onde transversale.

Par exemple, la vitesse d'une onde longitudinale dans un solide, où E est le module d'élasticité (module d'Young) de la substance, ρ est la densité de la substance.

Vitesse de l'onde de cisaillement dans un solide, où N est le module de cisaillement. Puisque pour toutes les substances , alors . L'une des méthodes de détermination de la distance à la source d'un séisme est basée sur la différence des vitesses des ondes sismiques longitudinales et transversales.

La vitesse d'une onde transversale dans une corde ou une corde tendue est déterminée par la force de tension F et la masse par unité de longueur μ :

4. Longueur d'onde λ - distance minimale entre des points qui oscillent également.

Pour les ondes se déplaçant à la surface de l'eau, la longueur d'onde est facilement définie comme la distance entre deux bosses ou dépressions adjacentes.

Pour une onde longitudinale, la longueur d'onde peut être trouvée comme la distance entre deux concentrations ou raréfactions adjacentes.

5. Dans le processus de propagation des ondes, des sections du milieu sont impliquées dans un processus oscillatoire. Un milieu oscillant, premièrement, bouge, donc, il a de l'énergie cinétique. Deuxièmement, le milieu traversé par l'onde est déformé, il a donc une énergie potentielle. Il est facile de voir que la propagation des ondes est associée au transfert d'énergie vers les parties non excitées du milieu. Pour caractériser le processus de transfert d'énergie, nous introduisons intensité des vagues je.