Mehanički val se prenosi. Mehanički valovi: izvor, svojstva, formule
Val– proces širenja oscilacija u elastičnom mediju.
mehanički val– mehaničke smetnje koje se šire u prostoru i nose energiju.
Vrste valova:
longitudinalno - čestice medija osciliraju u smjeru širenja vala - u svim elastičnim medijima;
x
smjer titranja
točke okoline
poprečno – čestice medija osciliraju okomito na smjer širenja vala – na površini tekućine.
x
Vrste mehaničkih valova:
elastični valovi - širenje elastičnih deformacija;
valovi na površini tekućine.
Karakteristike valova:
Neka A oscilira prema zakonu: 
.
Tada B oscilira sa zakašnjenjem za kut 
, gdje 
, tj.
Energija valova.
je ukupna energija jedne čestice. Ako su česticeN, gdje 
- epsilon, V - volumen.
Epsilon– energija po jedinici volumena vala – volumetrijska gustoća energije.
Tok energije valova jednak je omjeru energije koju valovi prenose kroz određenu površinu i vremena tijekom kojeg se taj prijenos provodi: 
, vat; 1 vat = 1J/s.
Gustoća energetskog toka - Intenzitet valova- protok energije kroz jedinicu površine - vrijednost jednaka prosječnoj energiji koju prenosi val u jedinici vremena po jedinici površine poprečnog presjeka.
[W/m2]
.
Umov vektor– vektor I koji pokazuje smjer širenja vala i jednak protoku energija valova koja prolazi kroz jedinicu površine okomito na ovaj smjer:
.
Fizičke karakteristike vala:
amplituda
valna duljina
brzina valova
intenzitet
vibracijski:
Val:
Složene oscilacije (opuštanje) - drugačije od sinusoidnih.
Fourierova transformacija- bilo koja složena periodična funkcija može se predstaviti kao zbroj nekoliko jednostavnih (harmonijskih) funkcija, čiji su periodi višekratnici perioda složene funkcije - to je harmonijska analiza. Javlja se u parserima. Rezultat je harmonijski spektar složene oscilacije:
ALI
0 
zvuk - vibracije i valovi koji djeluju na ljudsko uho i izazivaju slušni osjet.
Zvučne vibracije i valovi poseban su slučaj mehaničkih vibracija i valova. Vrste zvukova:
jednostavna - harmonična - vilica za ugađanje
složeno - anharmonično - govor, glazba
tonovima- zvuk, koji je periodičan proces:
Složeni ton može se rastaviti na jednostavne. Najniža frekvencija takve dekompozicije je osnovni ton, preostali harmonici (pretonovi) imaju frekvencije jednake 2 
drugo. Skup frekvencija koji označava njihov relativni intenzitet je akustički spektar.
Buka - zvuk sa složenom neponavljajućom vremenskom ovisnošću (šuštanje, škripa, pljesak). Spektar je kontinuiran.
Fizičke karakteristike zvuka:
Karakteristike osjeta sluha:
Visina određena je frekvencijom zvučnog vala. Što je viša frekvencija, to je viši ton. Zvuk većeg intenziteta je niži.
Timbre– određeno akustičkim spektrom. Što je više tonova, to je spektar bogatiji.
Volumen- karakterizira razinu slušnog osjeta. Ovisi o intenzitetu i frekvenciji zvuka. Psihofizički Weber-Fechnerov zakon: ako pojačate iritaciju u geometrijska progresija(u istom broju puta), tada će se osjećaj ove iritacije pojačati aritmetička progresija(za isti iznos).
, gdje je E glasnoća (mjerena u fonima); 
- razina intenziteta (mjereno u belima). 1 bel - promjena razine intenziteta, što odgovara promjeni intenziteta zvuka za 10 puta K - koeficijent proporcionalnosti, ovisi o frekvenciji i intenzitetu.
Odnos između glasnoće i intenziteta zvuka je krivulje jednake glasnoće, izgrađen na eksperimentalnim podacima (stvaraju zvuk frekvencije od 1 kHz, mijenjaju intenzitet sve dok se ne pojavi slušni osjet sličan osjećaju glasnoće zvuka koji se proučava). Poznavajući intenzitet i frekvenciju, možete pronaći pozadinu.
Audiometrija- metoda za mjerenje oštrine sluha. Instrument je audiometar. Dobivena krivulja je audiogram. Određuje se i uspoređuje prag osjeta sluha na različitim frekvencijama.
Noisemeter - mjerenje razine buke.
U klinici: auskultacija - stetoskop / fonendoskop. Fonendoskop je šuplja kapsula s membranom i gumenim cijevima.
Fonokardiografija - grafička registracija pozadine i srčanih šumova.
udaraljke.
Ultrazvuk– mehaničke vibracije i valovi s frekvencijom iznad 20 kHz do 20 MHz. Ultrazvučni emiteri su elektromehanički emiteri koji se temelje na piezoelektričnom efektu ( naizmjenična struja na elektrode, između kojih - kvarc).
Valna duljina ultrazvuka je manja od valne duljine zvuka: 1,4 m - zvuk u vodi (1 kHz), 1,4 mm - ultrazvuk u vodi (1 MHz). Ultrazvuk se dobro reflektira na granici kost-periosteum-mišić. Ultrazvuk neće prodrijeti u ljudsko tijelo ako nije podmazano uljem (sloj zraka). Brzina širenja ultrazvuka ovisi o okolišu. Fizikalni procesi: mikrovibracije, destrukcija biomakromolekula, restrukturiranje i oštećenje bioloških membrana, toplinski učinak, uništavanje stanica i mikroorganizama, kavitacija. U ambulanti: dijagnostika (encefalograf, kardiograf, ultrazvuk), fizioterapija (800 kHz), ultrazvučni skalpel, farmaceutska industrija, osteosinteza, sterilizacija.
infrazvuk– valovi s frekvencijom manjom od 20 Hz. Štetno djelovanje - rezonancija u tijelu.
vibracije. Korisno i štetno djelovanje. Masaža. vibracijska bolest.
Dopplerov učinak– promjena frekvencije valova koju opaža promatrač (primatelj valova) zbog relativnog gibanja izvora valova i promatrača.
Slučaj 1: N se približava I.
Slučaj 2: I prilazi N.
Slučaj 3: približavanje i udaljenost I i H jedan od drugog:
Sustav: ultrazvučni generator - prijemnik - nepomičan je u odnosu na medij. Objekt se kreće. Prima ultrazvuk s frekvencijom 
, reflektira ga, šaljući ga na prijemnik, koji prima ultrazvučni val s frekvencijom 
. Frekvencijska razlika - dopplerov pomak frekvencije:
. Koristi se za određivanje brzine protoka krvi, brzine kretanja zalistaka.
Za postojanje vala potreban je izvor titranja i materijalni medij ili polje u kojem se ovaj val širi. Valovi su najrazličitije prirode, ali se pokoravaju sličnim obrascima.
Po fizičkoj prirodi razlikovati:
Prema orijentaciji smetnji razlikovati:
|
Uzdužni valovi -
Pomicanje čestica događa se duž smjera širenja; potrebno je imati elastičnu silu u mediju tijekom kompresije; može se distribuirati u bilo kojem okruženju. primjeri: zvučni valovi  |
Poprečni valovi -
Pomicanje čestica događa se preko smjera širenja; može se razmnožavati samo u elastičnim medijima; potrebno je imati posmičnu elastičnu silu u mediju; može se širiti samo u čvrstim medijima (i na granici dva medija). primjeri: elastični valovi u struni, valovi na vodi
|
Prema prirodi ovisnosti o vremenu razlikovati:
elastični valovi - mehanički pomaci (deformacije) koji se šire u elastičnom mediju. Elastični val se zove harmonik(sinusoidno) ako su vibracije medija koje joj odgovaraju harmonijske.
trčeći valovi - Valovi koji prenose energiju u svemir.
Prema obliku valne površine : ravni, sferni, cilindrični val.
valna fronta je mjesto točaka do kojih su dosegle oscilacije sadašnji trenutak vrijeme.
valna površina- mjesto točaka koje osciliraju u jednoj fazi.
Karakteristike valova
Valna duljina λ - udaljenost kojom se val širi u vremenu jednakom periodu titranja
Amplituda vala A - amplituda oscilacija čestica u valu
Brzina valova v - brzina širenja perturbacija u sredini
Razdoblje vala T - period osciliranja
Frekvencija valova ν - recipročna vrijednost razdoblja
Jednadžba putujućeg vala
Tijekom širenja putujućeg vala, poremećaji medija dosežu sljedeće točke u prostoru, dok val prenosi energiju i zamah, ali ne prenosi materiju (čestice medija nastavljaju oscilirati na istom mjestu u prostoru).
gdje v- ubrzati , φ 0 - početna faza , ω – ciklička frekvencija , A– amplituda
Svojstva mehaničkih valova
1. refleksija valova – mehanički valovi bilo kojeg podrijetla imaju sposobnost da se reflektiraju od sučelja između dva medija. Ako mehanički val koji se širi u mediju naiđe na prepreku na svom putu, može dramatično promijeniti prirodu svog ponašanja. Na primjer, na sučelju između dva medija s različitim mehanička svojstva val se djelomično reflektira, a djelomično prodire u drugi medij.
2. Refrakcija valova – tijekom širenja mehaničkih valova može se uočiti i fenomen loma: promjena smjera širenja mehaničkih valova tijekom prijelaza iz jednog medija u drugi.
3. Difrakcija valova – odstupanje vala od pravolinijsko širenje, odnosno savijaju se oko prepreka.
4. Interferencija valova – zbrajanje dvaju valova. U prostoru gdje se širi nekoliko valova, njihova interferencija dovodi do pojave područja s minimalnom i maksimalnom vrijednosti amplitude oscilacije
Interferencija i difrakcija mehaničkih valova.
Val koji ide duž gumene trake ili strune reflektira se od fiksnog kraja; to stvara val koji putuje u suprotnom smjeru.
Kada su valovi superponirani, može se uočiti fenomen interferencije. Fenomen interferencije nastaje kada se koherentni valovi superponiraju.
koherentan pozvaovaloviimaju iste frekvencije, konstantnu faznu razliku i oscilacije se javljaju u istoj ravnini.
smetnje nazvana stalnim u vremenu fenomenom međusobnog pojačavanja i slabljenja oscilacija u različite točke medija kao rezultat superpozicije koherentnih valova.
Rezultat superpozicije valova ovisi o fazama u kojima su oscilacije jedna na drugu.
Ako valovi iz izvora A i B stignu u točku C u istim fazama, tada će se oscilacije povećati; ako je u suprotnim fazama, tada dolazi do slabljenja oscilacija. Kao rezultat, u prostoru se formira stabilan obrazac izmjeničnih područja pojačanih i oslabljenih oscilacija.
Maksimalni i minimalni uvjeti
Ako se oscilacije točaka A i B poklapaju u fazi i imaju jednake amplitude, onda je očito da rezultirajući pomak u točki C ovisi o razlici putova dvaju vala.
Maksimalni uvjeti
Ako je razlika između putanja ovih valova jednaka cijelom broju valova (tj. parnom broju poluvalova) Δd = kλ , gdje k= 0, 1, 2, ..., tada se formira interferentni maksimum u točki superpozicije ovih valova.
Maksimalno stanje
: 
A = 2x0.
Minimalno stanje
Ako je razlika puta ovih valova jednaka neparnom broju poluvalova, to znači da će valovi iz točaka A i B doći u točku C u antifazi i međusobno se poništavati.
Minimalno stanje:
Amplituda rezultirajuće oscilacije A = 0.
Ako Δd nije jednak cijelom broju poluvalova, tada je 0< А < 2х 0 .
Difrakcija valova.
Fenomen odstupanja od pravocrtnog širenja i zaokruživanja prepreka valovima naziva sedifrakcija.
Odnos između valne duljine (λ) i veličine prepreke (L) određuje ponašanje vala. Difrakcija je najizraženija ako je upadna valna duljina više veličina preprekama. Eksperimenti pokazuju da difrakcija uvijek postoji, ali postaje vidljiva pod tim uvjetom d<<λ , gdje je d veličina prepreke.
Difrakcija je zajedničko svojstvo valova bilo koje prirode, koje se uvijek javlja, ali su uvjeti za njezino promatranje različiti.
Val na površini vode širi se prema dovoljno velikoj prepreci, iza koje se stvara sjena, t.j. ne opaža se valni proces. Ovo svojstvo koristi se u izgradnji lukobrana u lukama. Ako je veličina prepreke usporediva s valnom duljinom, tada će iza prepreke biti val. Iza njega se širi val kao da nema nikakve prepreke, t.j. opaža se difrakcija valova.
Primjeri očitovanja difrakcije . Čuti glasan razgovor iza ugla kuće, zvukove u šumi, valove na površini vode.
stajaćim valovima
stajaćim valovima nastaju zbrajanjem izravnih i reflektiranih valova ako imaju istu frekvenciju i amplitudu.
U struni pričvršćenoj na oba kraja nastaju složene vibracije koje se mogu smatrati rezultatom superpozicije ( superpozicije) dva vala koji se šire u suprotnim smjerovima i doživljavaju refleksije i rerefleksije na krajevima. Vibracije žica pričvršćenih na oba kraja stvaraju zvukove svih žičanih glazbenih instrumenata. Vrlo sličan fenomen događa se i sa zvukom puhačkih instrumenata, uključujući i orgulje.
vibracije struna. U rastegnutoj struni učvršćenoj na oba kraja, kada se pobuđuju poprečne vibracije, stajaćim valovima , a čvorovi trebaju biti smješteni na mjestima gdje je uzica pričvršćena. Stoga je struna uzbuđena s primjetan intenzitet samo takve vibracije čija polovica valne duljine stane na duljinu strune cijeli broj puta.
To implicira uvjet 
Valne duljine odgovaraju frekvencijama 
n = 1, 2, 3...Frekvencije vn pozvao prirodne frekvencije žice.
Harmonične vibracije s frekvencijama vn pozvao vlastite ili normalne vibracije . Nazivaju se i harmonici. Općenito, vibracija žice je superpozicija različitih harmonika.
Jednadžba stojnih vala :
U točkama gdje koordinate zadovoljavaju uvjet 
(n= 1, 2, 3, ...), ukupna amplituda jednaka je maksimalnoj vrijednosti - ovo antinodi
stajaći val. Koordinate antičvorišta
: 
U točkama čije koordinate zadovoljavaju uvjet
(n= 0, 1, 2,…), ukupna amplituda titranja jednaka je nuli – Ovaj čvorovi stajaći val. Koordinate čvora: 
Nastajanje stajaćih valova se opaža kada putujući i reflektirani valovi interferiraju. Na granici gdje se val reflektira dobiva se antičvor ako je medij od kojeg dolazi do refleksije manje gusto (a), a čvor ako je gušće (b).
Ako uzmemo u obzir putujući val , zatim u smjeru njegovog širenja energija se prenosi oscilatorno kretanje. Kada isti nema stajaćeg vala prijenosa energije , jer upadni i reflektirani valovi iste amplitude nose istu energiju u suprotnim smjerovima.
Stojeći valovi nastaju, na primjer, u struni rastegnutoj na oba kraja kada se u njoj pobuđuju poprečne vibracije. Štoviše, na mjestima pričvršćivanja nalaze se čvorovi stajaćeg vala.
Ako se u stupu zraka koji je na jednom kraju otvoren (zvučni val) uspostavi stajaći val, tada se na otvorenom kraju formira antičvor, a na suprotnom kraju.
valni proces- proces prijenosa energije bez prijenosa materije.
mehanički val- perturbacija koja se širi u elastičnom mediju.
Prisutnost elastičnog medija nužan je uvjet za širenje mehaničkih valova.
Prijenos energije i zamaha u mediju nastaje kao rezultat interakcije između susjednih čestica medija.
Valovi su uzdužni i poprečni.
Uzdužni mehanički val – val u kojem se gibanje čestica medija događa u smjeru širenja vala. Poprečni mehanički val – val u kojem se čestice medija gibaju okomito na smjer širenja vala.
Uzdužni valovi mogu se širiti u bilo kojem mediju. Poprečni valovi se ne javljaju u plinovima i tekućinama, budući da oni
nema fiksnih položaja čestica.
Periodično vanjsko djelovanje uzrokuje periodične valove.
harmonijski val- val generiran harmonijskim vibracijama čestica medija.
Valna duljina- udaljenost na kojoj se val širi tijekom perioda osciliranja njegovog izvora:
mehanička brzina valova- brzina širenja perturbacije u mediju. Polarizacija je sređivanje smjerova titranja čestica u mediju.
Ravnina polarizacije- ravnina u kojoj čestice medija titraju u valu. Linearno polarizirani mehanički val je val čije čestice osciliraju duž određenog smjera (linije).
polarizator- uređaj koji emitira val određene polarizacije.
stajaći val- val nastao kao rezultat superpozicije dvaju harmonijskih vala koji se šire jedan prema drugome i imaju isti period, amplitudu i polarizaciju.
Antinode stajaćeg vala- položaj točaka s maksimalnom amplitudom oscilacija.
Čvorovi stajaćeg vala- nepomične točke vala, čija je amplituda titranja jednaka nuli.
Na duljini l žice pričvršćene na krajevima stane cijeli broj n poluvalova poprečnih stajaćih valova:
Takvi valovi nazivaju se titrajnim modovima.
Način osciliranja za proizvoljni cijeli broj n > 1 naziva se n-ti harmonik ili n-ti prizvuk. Način titranja za n = 1 naziva se prvi harmonijski ili osnovni titranjski način. zvučni valovi- elastični valovi u mediju koji izazivaju slušne osjete kod osobe.
Frekvencija oscilacija koje odgovaraju zvučnim valovima leži u rasponu od 16 Hz do 20 kHz.
Brzina širenja zvučnih valova određena je brzinom prijenosa interakcije između čestica. Brzina zvuka u čvrstom tijelu v p, u pravilu, veća je od brzine zvuka u tekućini v l, što zauzvrat premašuje brzinu zvuka u plinu v g.
Zvučni signali su klasificirani prema visini, tembru i glasnoći. Visina zvuka određena je frekvencijom izvora zvučnih vibracija. Što je viša frekvencija titranja, to je jači zvuk; vibracije niskih frekvencija odgovaraju niskim zvukovima. Timbar zvuka određen je oblikom zvučnih vibracija. Razlika u obliku vibracija koje imaju isti period povezana je s različitim relativnim amplitudama temeljnog modusa i tona. Glasnoću zvuka karakterizira razina intenziteta zvuka. Intenzitet zvuka - energija zvučnih valova koji upadaju na površinu od 1 m 2 u 1 s.
Valovi. Opća svojstva valova.Val - ovo je fenomen širenja u prostoru tijekom vremena promjene (perturbacije) fizičke veličine koja sa sobom nosi energiju.
Bez obzira na prirodu vala, prijenos energije se događa bez prijenosa materije; potonje se može pojaviti samo kao nuspojava. Prijenos energije- temeljna razlika između valova i oscilacija, u kojima se događaju samo "lokalne" energetske transformacije. Valovi, u pravilu, mogu prijeći značajne udaljenosti od mjesta svog nastanka. Iz tog razloga, valovi se ponekad nazivaju " vibracija odvojena od emitera».
Valovi se mogu klasificirati
Po svojoj prirodi:
Elastični valovi - valovi koji se šire u tekućim, čvrstim i plinovitim medijima zbog djelovanja elastičnih sila.
Elektromagnetski valovi- širenje u prostoru perturbacija (promjena stanja) elektromagnetskog polja.
Valovi na površini tekućine- konvencionalni naziv za različite valove koji se javljaju na granici između tekućine i plina ili tekućine i tekućine. Valovi na vodi razlikuju se po temeljnom mehanizmu titranja (kapilarni, gravitacijski itd.), što dovodi do različitih zakona disperzije i, kao rezultat, različitog ponašanja tih valova.
S obzirom na smjer titranja čestica medija:
Uzdužni valovi -čestice medija osciliraju paralelno u smjeru širenja vala (kao npr. u slučaju širenja zvuka).
Poprečni valovi -čestice medija osciliraju okomito smjer širenja valova (elektromagnetski valovi, valovi na površinama razdvajanja medija).
a - poprečno; b - uzdužno.
mješoviti valovi.
Prema geometriji valnog fronta:
Valna površina (valna fronta) je mjesto točaka do kojih je perturbacija dosegla zadani trenutak u vremenu. U homogenom izotropnom mediju brzina širenja vala jednaka je u svim smjerovima, što znači da sve točke fronte osciliraju u istoj fazi, fronta je okomita na smjer širenja vala, a vrijednosti oscilirajuće količina na svim točkama prednje strane jednaka.
ravan valno - fazne ravnine su okomite na smjer širenja vala i paralelne jedna s drugom.
sferni val - površina jednakih faza je kugla.
Cilindričan val - površina faza podsjeća na cilindar.
Spirala val – nastaje ako se sferni ili cilindrični izvor/izvori vala u procesu zračenja pomiče po određenoj zatvorenoj krivulji.
ravni val
Val se naziva ravnim ako su njegove valne površine ravnine paralelne jedna s drugom, okomite na faznu brzinu vala. = f(x, t)).
Razmotrimo ravni monokromatski (jednofrekventni) sinusoidni val koji se širi u homogenom mediju bez slabljenja duž X osi.
,gdje
Fazna brzina vala je brzina valne površine (fronta),
- amplituda vala - modul maksimalnog odstupanja promjenjive vrijednosti od ravnotežnog položaja,
– ciklička frekvencija, T – period osciliranja, – frekvencija vala (slično oscilacijama)
k - valni broj, ima značenje prostorne frekvencije,
Druga karakteristika vala je valna duljina m, to je udaljenost na kojoj se val širi tijekom jednog perioda titranja, ima značenje prostornog razdoblja, to je najkraća udaljenost između točaka koje osciliraju u jednoj fazi. 
y 
Valna duljina je povezana s valnim brojem relacijom , što je slično vremenskom odnosu
Valni broj povezan je s cikličkom frekvencijom i brzinom širenja vala
x
y
y 
Slike prikazuju oscilogram (a) i snimak (b) vala s naznačenim vremenskim i prostornim periodima. Za razliku od stacionarnih oscilacija, valovi imaju dvije glavne karakteristike: vremensku periodičnost i prostornu periodičnost.
Opća svojstva valova:
Valovi nose energiju.
2. Valovi vrše pritisak na tijela (imaju zamah).
3. Brzina vala u mediju ovisi o frekvenciji vala - disperzije.Dakle, valovi različitih frekvencija šire se u istom mediju različitim brzinama (fazna brzina). 
4. Valovi se savijaju oko prepreka – difrakcija.
Difrakcija nastaje kada je veličina prepreke usporediva s valnom duljinom.
5. Na granici između dva medija valovi se reflektiraju i lome.
Upadni kut jednak je kutu refleksije, a omjer sinusa upadnog kuta i sinusa lomnog kuta je stalna vrijednost za ta dva medija.
6. Kada se koherentni valovi superponiraju (fazna razlika ovih valova u bilo kojoj točki je konstantna u vremenu), oni interferiraju – formira se stabilan obrazac interferencijskih minimuma i maksimuma. 
Valovi i izvori koji ih pobuđuju nazivaju se koherentnima ako fazna razlika valova ne ovisi o vremenu. Valovi i izvori koji ih pobuđuju nazivaju se nekoherentnima ako se fazna razlika valova mijenja s vremenom.
Samo valovi iste frekvencije, u kojima se oscilacije javljaju u istom smjeru (tj. koherentni valovi), mogu interferirati. Smetnje mogu biti stacionarne ili nestacionarne. Samo koherentni valovi mogu dati stacionarni interferencijski uzorak. Na primjer, dva sferna vala na površini vode, koja se šire iz dva koherentna točkasta izvora, proizvest će rezultantni val nakon interferencije. Prednja strana rezultirajućeg vala bit će kugla.
Kada se valovi interferiraju, njihove se energije ne zbrajaju. Interferencija valova dovodi do preraspodjele energije oscilacija između različitih blisko raspoređenih čestica medija. To nije u suprotnosti sa zakonom održanja energije jer je u prosjeku za veliko područje prostora energija rezultirajućeg vala jednaka zbroju energija interferirajućih valova.
Kada su nekoherentni valovi superponirani, prosječna vrijednost kvadrata amplitude rezultirajućeg vala jednaka je zbroju kvadrata amplituda superponiranih valova. Energija nastalih oscilacija svake točke medija jednaka je zbroju energija njezinih oscilacija, zbog svih nekoherentnih valova zasebno.
7. Medij apsorbira valove. S udaljenošću od izvora amplituda vala opada, jer se energija vala djelomično prenosi na medij.
8. Valovi su raspršeni u nehomogenom mediju.
Rasipanje - perturbacije valnih polja uzrokovane nehomogenostima medija i raspršujućih objekata smještenih u tom mediju. Intenzitet raspršenja ovisi o veličini nehomogenosti i frekvenciji vala.
mehanički valovi. Zvuk. Zvučna karakteristika .
Val- perturbacija koja se širi u prostoru.
Opća svojstva valova:
nositi energiju;
imati zamah (izvršiti pritisak na tijela);
na granici dva medija reflektiraju se i lome;
apsorbira okolina;
difrakcija;
smetnje;
disperzija;
Brzina valova ovisi o mediju kroz koji valovi prolaze.
Mehanički (elastični) valovi.
Poseban slučaj mehaničkih valova - valovi na površini tekućine, valovi koji nastaju i šire se duž slobodne površine tekućine ili na granici između dviju tekućina koje se ne miješaju. Nastaju pod utjecajem vanjskog utjecaja, zbog čega se površina tekućine uklanja iz ravnotežnog stanja. U tom slučaju nastaju sile koje uspostavljaju ravnotežu: sile površinske napetosti i gravitacije.
Mehanički valovi su dvije vrste
Uzdužni valovi praćeni vlačnim i tlačnim deformacijama mogu se širiti u bilo kojem elastičnom mediju: plinovima, tekućinama i krutim tvarima. Poprečni valovi šire se u onim medijima gdje se tijekom posmične deformacije pojavljuju elastične sile, tj. u čvrstim tvarima.
Od velikog interesa za praksu su jednostavni harmonijski ili sinusoidni valovi. Jednadžba ravnog sinusnog vala je:
- takozvani valni broj ,
– kružna frekvencija ,
ALI - amplituda oscilacije čestica.
Slika prikazuje "snimke" poprečnog vala u dvije vremenske točke: t i t + Δt. Za vrijeme Δt val se kretao duž osi OX za udaljenost υΔt. Takvi valovi nazivaju se putujućim valovima.
Valna duljina λ je udaljenost između dvije susjedne točke na osi OX, koje osciliraju u istim fazama. Na udaljenosti koja je jednaka valnoj duljini λ, val prolazi kroz period T, dakle,
λ = υT, gdje je υ brzina širenja vala.
Za bilo koju odabranu točku na grafu valnog procesa (na primjer, za točku A), x-koordinata ove točke mijenja se tijekom vremena t, a vrijednost izraza ωt – kx ne mijenja. Nakon vremenskog intervala Δt, točka A će se kretati duž osi OX za određenu udaljenost Δx = υΔt. Stoga: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = konst ili ωΔt = kΔx.
Iz čega slijedi:
Dakle, putujući sinusni val ima dvostruku periodičnost – u vremenu i prostoru. Vremenski period je jednak periodu titranja T čestica medija, prostorni period je jednak valnoj duljini λ. Valni broj je prostorni analog kružne frekvencije.
Zvuk.
Svaki oscilatorni proces opisan je jednadžbom. Također je izvedeno za zvučne vibracije:
Osnovne karakteristike zvučnih valova
|
Subjektivna percepcija zvuka (glasnoća, visina, tembar) |
Objektivne fizičke karakteristike zvuka (brzina, intenzitet, spektar) |
Brzina zvuka u bilo kojem plinovitom mediju izračunava se po formuli:
β - adijabatska kompresibilnost medija,
ρ - gustoća.
Primjena zvuka
Sonari koji se koriste pod vodom nazivaju se sonar ili sonar (naziv sonar nastao je od početnih slova tri engleske riječi: sound - zvuk; navigation - navigacija; range - domet). Sonari su nezamjenjivi za proučavanje morskog dna (njegovog profila, dubine), za otkrivanje i proučavanje raznih objekata koji se kreću duboko pod vodom. Uz njihovu pomoć lako se mogu otkriti i pojedinačni veliki predmeti ili životinje, kao i jata malih riba ili mekušaca.
Valovi ultrazvučnih frekvencija se široko koriste u medicini u dijagnostičke svrhe. Ultrazvučni skeneri omogućuju pregled unutarnjih organa osobe. Ultrazvučno zračenje je manje štetno za ljude od rendgenskih zraka.
Elektromagnetski valovi.
Njihova svojstva.
elektromagnetski val je elektromagnetno polje koje se širi u prostoru tijekom vremena.
Elektromagnetski valovi mogu biti pobuđeni samo nabojima koji se brzo kreću.
Postojanje elektromagnetskih valova teoretski je predvidio veliki engleski fizičar J. Maxwell 1864. godine. Predložio je novo tumačenje Faradayeva zakona elektromagnetske indukcije i dalje razvio svoje ideje.
Svaka promjena magnetskog polja stvara vrtložno električno polje u okolnom prostoru, a vremenski promjenjivo električno polje stvara magnetsko polje u okolnom prostoru.
Slika 1. Izmjenično električno polje stvara izmjenično magnetsko polje i obrnuto
Svojstva elektromagnetskih valova temeljena na Maxwellovoj teoriji:
Elektromagnetski valovi poprečno – vektori i međusobno su okomiti i leže u ravnini okomitoj na smjer širenja.
Slika 2. Širenje elektromagnetskog vala
Električno i magnetsko polje u putujućem valu mijenjaju se u jednoj fazi.
Vektori u putujućem elektromagnetskom valu tvore takozvani desni triplet vektora.
Oscilacije vektora i javljaju se u fazi: u istom trenutku vremena, u jednoj točki prostora, projekcije jakosti električnog i magnetskog polja dosežu maksimum, minimum ili nulu.
Elektromagnetski valovi se šire u materiji sa konačna brzina
Gdje je - dielektrična i magnetska propusnost medija (o njima ovisi brzina širenja elektromagnetskog vala u mediju),
Električne i magnetske konstante.
Brzina elektromagnetskih valova u vakuumu
Gustoća toka elektromagnetske energije
iliintenzitet
J
naziva se elektromagnetska energija koju val prenosi u jedinici vremena kroz površinu jedinične površine:
,
Zamjenjujući ovdje izraze za , i υ, i uzimajući u obzir jednakost volumetrijskih gustoća energije električnog i magnetskog polja u elektromagnetskom valu, možemo dobiti:
Elektromagnetski valovi mogu biti polarizirani.
Isto tako, elektromagnetski valovi imaju sva osnovna svojstva valova : nose energiju, imaju zamah, reflektiraju se i lome na granici između dva medija, apsorbiraju ih medij, pokazuju svojstva disperzije, difrakcije i interferencije.
Hertz eksperimenti (eksperimentalna detekcija elektromagnetskih valova)
Po prvi put eksperimentalno su proučavani elektromagnetski valovi
Hertz 1888. godine. Razvio je uspješan dizajn generatora elektromagnetskih oscilacija (Hertz vibrator) i metodu za njihovo detektiranje metodom rezonancije.
Vibrator se sastojao od dva linearna vodiča, na čijim su se krajevima nalazile metalne kuglice koje su tvorile iskrište. Kada se od indukcije do trupa primijeni visoki napon, u zazoru je skočila iskra, koja je skratila razmak. Tijekom njegovog izgaranja dogodio se veliki broj oscilacija u krugu. Prijemnik (rezonator) se sastojao od žice s iskrim razmakom. Prisutnost rezonancije izražena je pojavom iskri u iskrističnom razmaku rezonatora kao odgovorom na iskru koja nastaje u vibratoru.
Stoga su Hertzovi eksperimenti pružili čvrst temelj za Maxwellovu teoriju. Pokazalo se da su se elektromagnetski valovi koje je predvidio Maxwell ostvarili u praksi.
PRINCIPI RADIO KOMUNIKACIJA
Radio komunikacija prijenos i prijem informacija pomoću radio valova.
Dana 24. ožujka 1896., na sastanku Fizičkog odjela Ruskog fizičko-hemijskog društva, Popov je, koristeći svoje instrumente, jasno pokazao prijenos signala na udaljenosti od 250 m, prenoseći prvi na svijetu radiogram od dvije riječi "Heinrich Herc".
ŠEMA PRIJEMNIKA A.S. POPOV
Popov je koristio radiotelegrafsku komunikaciju (prijenos signala različitog trajanja), takva se komunikacija može izvesti samo pomoću koda. Kao izvor radio valova korišten je odašiljač iskri s Hertzovim vibratorom, a kao prijemnik je služio koherer, staklena cijev s metalnim strugotinama, čiji otpor, kada udari elektromagnetski val, pada stotine puta. Kako bi se povećala osjetljivost koherera, jedan njegov kraj je uzemljen, a drugi spojen na žicu podignutu iznad Zemlje, ukupna duljina antene iznosila je četvrtinu valne duljine. Signal odašiljača iskri brzo opada i ne može se prenijeti na velike udaljenosti.
Radiotelefonske komunikacije (govor i glazba) koriste visokofrekventni modulirani signal. Signal niske (zvučne) frekvencije nosi informaciju, ali se praktički ne emitira, a signal visoke frekvencije dobro se emitira, ali ne nosi informaciju. Modulacija se koristi za radiotelefonske komunikacije.
Modulacija - proces uspostavljanja korespondencije između parametara VF i NF signala.
U radiotehnici se koristi nekoliko vrsta modulacija: amplituda, frekvencija, faza.
Amplitudna modulacija - promjena amplitude oscilacija (električnih, mehaničkih itd.), koja se događa na frekvenciji mnogo nižoj od frekvencije samih oscilacija.
Visokofrekventno harmonijsko titranje ω amplitudno je modulirano harmonijskim titranjem niske frekvencije Ω (τ = 1/Ω je njegov period), t je vrijeme, A je amplituda visokofrekventne oscilacije, T je njezin period.
Radiokomunikacijska shema koja koristi AM signal
AM oscilator
Amplituda RF signala mijenja se u skladu s amplitudom LF signala, tada modulirani signal emitira odašiljačka antena.
U radio prijemniku prijemna antena prima radio valove, u oscilatornom krugu se zbog rezonancije odabire i pojačava signal na koji je sklop podešen (nosna frekvencija odašiljačke stanice), zatim niskofrekventna komponenta signala mora biti odabran.
Radio detektor
Otkrivanje – proces pretvaranja visokofrekventnog signala u niskofrekventni signal. Signal primljen nakon detekcije odgovara zvučnom signalu koji je djelovao na mikrofon odašiljača. Nakon pojačanja, vibracije niske frekvencije mogu se pretvoriti u zvuk.
detektor (demodulator)
Dioda se koristi za ispravljanje izmjenične struje
a) AM signal, b) detektirani signal
RADAR
Detekcija i precizno određivanje položaja objekata i brzine njihovog kretanja pomoću radio valova naziva se radar . Princip radara temelji se na svojstvu refleksije elektromagnetskih valova od metala.
1 - rotirajuća antena; 2 - antenski prekidač; 3 - odašiljač; 4 - prijemnik; 5 - skener; 6 - indikator udaljenosti; 7 - pokazivač smjera.
Za radar se koriste visokofrekventni radio valovi (VHF), uz njihovu pomoć lako se formira usmjereni snop, a snaga zračenja je velika. U metarskom i decimetarskom području - rešetkasti sustavi vibratora, u centimetarskom i milimetarskom području - parabolički emiteri. Lociranje se može provesti u kontinuiranom (za otkrivanje cilja) i u pulsnom (za određivanje brzine objekta) načinu rada.
Područja primjene radara:
Zrakoplovstvo, astronautika, mornarica: sigurnost prometa brodova po bilo kojem vremenu iu bilo koje doba dana, sprječavanje sudara, sigurnost pri polijetanja itd. slijetanja zrakoplova.
Ratovanje: pravovremeno otkrivanje neprijateljskih zrakoplova ili projektila, automatsko prilagođavanje protuzračne vatre.
Planetarni radar: mjerenje udaljenosti do njih, određivanje parametara njihovih orbita, određivanje perioda rotacije, promatranje topografije površine. U bivšem Sovjetskom Savezu (1961.) - radar Venere, Merkura, Marsa, Jupitera. U SAD-u i Mađarskoj (1946.) - pokus primanja signala reflektiranog s površine mjeseca.
Telekomunikacijska shema u osnovi se podudara s radiokomunikacijskom shemom. Razlika je u tome što se osim zvučnog signala prenose slika i kontrolni signali (promjena linije i promjena okvira) kako bi se sinkronizirao rad odašiljača i prijemnika. U odašiljaču se ti signali moduliraju i odašilju, u prijamniku ih pohvata antena i idu na obradu, svaki na svom putu.
Razmotrite jednu od mogućih shema za pretvaranje slike u elektromagnetske oscilacije pomoću ikonoskopa:
Pomoću optičkog sustava slika se projicira na mozaik ekran, zbog fotoelektričnog efekta ekranske stanice dobivaju drugačiji pozitivni naboj. Elektronski pištolj generira snop elektrona koji putuje po ekranu, ispuštajući pozitivno nabijene stanice. Budući da je svaka ćelija kondenzator, promjena naboja dovodi do pojave promjenjivog napona – elektromagnetske oscilacije. Signal se zatim pojačava i dovodi u modulacijski uređaj. U kineskopu se video signal pretvara natrag u sliku (na različite načine, ovisno o principu rada kineskopa).
Budući da televizijski signal nosi mnogo više informacija od radija, rad se obavlja na visokim frekvencijama (metri, decimetri).
Širenje radio valova.
Radio val - je elektromagnetski val u rasponu (10 4
Svaki dio ovog asortimana primjenjuje se tamo gdje se njegove prednosti mogu najbolje iskoristiti. Radio valovi različitog raspona šire se na različite udaljenosti. Širenje radio valova ovisi o svojstvima atmosfere. Zemljina površina, troposfera i ionosfera također imaju snažan utjecaj na širenje radio valova.
Širenje radio valova- to je proces odašiljanja elektromagnetskih oscilacija radio raspona u prostoru s jednog mjesta na drugo, posebice od odašiljača do prijemnika.
Valovi različitih frekvencija ponašaju se različito. Razmotrimo detaljnije značajke širenja dugih, srednjih, kratkih i ultrakratkih valova.
Širenje dugih valova.
Dugi valovi (>1000 m) se šire:
Na udaljenostima do 1-2 tisuće km zbog difrakcije na sfernoj površini Zemlje. U stanju ići okolo Zemlja(Slika 1). Tada dolazi do njihovog širenja zbog vođenja sfernog valovoda, a da se ne reflektira.
Riža. jedan Kvaliteta veze:
stabilnost prijema. Kvaliteta prijema ne ovisi o dobu dana, godini, vremenskim uvjetima.
nedostaci:
Zbog snažne apsorpcije vala dok se širi po površini zemlje, potrebna je velika antena i snažan odašiljač.
Atmosferska pražnjenja (munja) ometaju.
Upotreba:
Domet se koristi za radiodifuziju, za radiotelegrafiju, radionavigacijske usluge i za komunikaciju s podmornicama.
Postoji mali broj radijskih postaja koje emitiraju točne vremenske signale i meteorološka izvješća.
Srednji valovi ( =100..1000 m) šire se:
Poput dugih valova, oni su u stanju savijati se oko zemljine površine.
Poput kratkih valova, oni se također mogu više puta reflektirati od ionosfere.
Kvaliteta veze:
Kratak komunikacijski domet. Srednje valne postaje čujne su unutar tisuću kilometara. Ali postoji visoka razina atmosferskih i industrijskih smetnji.
Koristi se za službene i amaterske komunikacije, kao i uglavnom za emitiranje.
Kratki valovi (=10..100 m) šire se:
Više puta reflektiran od ionosfere i zemljine površine (slika 2)
Kvaliteta veze:
Kvaliteta prijema kratkih valova uvelike ovisi o različitim procesima u ionosferi povezanim s razinom sunčeve aktivnosti, doba godine i doba dana. Nisu potrebni odašiljači velike snage. Za komunikaciju između zemaljskih stanica i svemirskih letjelica nisu prikladni, jer ne prolaze kroz ionosferu.
Upotreba:
Za komunikaciju na velikim udaljenostima. Za televizijsko, radijsko emitiranje i radio komunikaciju s pokretnim objektima. Postoje odjelne telegrafske i telefonske radio stanice. Ovaj raspon je najviše "naseljen".
Ultrakratki valovi (
Ponekad se mogu reflektirati od oblaka, umjetnih satelita zemlje, pa čak i od mjeseca. U tom se slučaju komunikacijski domet može neznatno povećati.
Prijem ultrakratkih valova karakterizira postojanost čujnosti, odsutnost blijeđenja, kao i smanjenje različitih smetnji.
Komunikacija na ovim valovima moguća je samo na udaljenosti od linije vidljivosti L(slika 7).
Budući da se ultrakratki valovi ne šire izvan horizonta, postaje potrebno izgraditi mnogo srednjih odašiljača - repetitora.
Ponavljač- uređaj smješten na međutočkama radiokomunikacijskih vodova, koji pojačava primljene signale i dalje ih prenosi.
relej- prijem signala u međutočki, njihovo pojačanje i prijenos u istom ili drugom smjeru. Retransmisija je dizajnirana da poveća komunikacijski domet.
Postoje dva načina prijenosa: satelitski i zemaljski.
Satelit:
Aktivni relejni satelit prima signal zemaljske stanice, pojačava ga i preko snažnog usmjerenog odašiljača šalje signal Zemlji u istom ili drugom smjeru.
tlo:
Signal se prenosi zemaljskoj analognoj ili digitalnoj radio stanici ili mreži takvih postaja, a zatim šalje dalje u istom smjeru ili u drugom smjeru.
1 - radio odašiljač,
2 - antena za odašiljanje, 3 - antena za prijem, 4 - radio prijemnik.
Upotreba:
Kontakt umjetni sateliti Zemlja i
VHF se dijele u sljedeće raspone:
metarskih valova - od 10 do 1 metar, koristi se za telefonsku komunikaciju između brodova, brodova i lučkih službi.
decimetar - od 1 metar do 10 cm, koristi se za satelitsku komunikaciju.
centimetar - od 10 do 1 cm, koristi se u radaru.
milimetar - od 1cm do 1mm, koristi se uglavnom u medicini.
Mehaničkival u fizici je to fenomen širenja perturbacija, praćen prijenosom energije oscilirajućeg tijela s jedne točke na drugu bez transporta tvari, u nekom elastičnom mediju.
Medij u kojem postoji elastična interakcija između molekula (tekućina, plin ili čvrsta) je preduvjet za nastanak mehaničkih smetnji. One su moguće samo kada se molekule tvari sudare jedna s drugom, prenoseći energiju. Jedan primjer takvih perturbacija je zvuk (akustični val). Zvuk može putovati kroz zrak, vodu ili čvrsto tijelo ali ne u vakuumu.
Za stvaranje mehaničkog vala potrebna je neka početna energija koja će dovesti medij iz ravnoteže. Ta će energija tada biti prenošena valom. Na primjer, kamen bačen u malu količinu vode stvara val na površini. Glasan vrisak stvara akustični val.
Glavne vrste mehaničkih valova:
- Zvuk;
- Na površini vode;
- potresi;
- seizmički valovi.
Mehanički valovi imaju vrhove i padove kao i svi oscilatorna kretanja. Njihove glavne karakteristike su:
- Frekvencija. Ovo je broj oscilacija u sekundi. Mjerne jedinice u SI: [ν] = [Hz] = [s -1].
- Valna duljina. Udaljenost između susjednih vrhova ili udubljenja. [λ] = [m].
- Amplituda. Najveće odstupanje srednje točke od ravnotežnog položaja. [X max] = [m].
- Ubrzati. Ovo je udaljenost koju val prijeđe u sekundi. [V] = [m/s].
Valna duljina
Valna duljina je udaljenost između točaka najbližih jedna drugoj, oscilirajući u istim fazama.
Valovi se šire u svemiru. Smjer njihovog širenja naziva se greda a označava se linijom okomitom na valnu površinu. A njihova brzina se izračunava po formuli:
Granica valne površine, koja odvaja dio medija u kojem se već pojavljuju oscilacije, od dijela medija u kojem oscilacije još nisu počele, - valispred.
Uzdužni i poprečni valovi
Jedan od načina klasifikacije mehaničke vrste valova je određivanje smjera kretanja pojedinih čestica medija u valu u odnosu na smjer njegova širenja.
Ovisno o smjeru kretanja čestica u valovima, razlikuju se:
- poprečnovalovi.Čestice medija u ovoj vrsti valova osciliraju pod pravim kutom u odnosu na valni snop. Mreškanje u ribnjaku ili vibrirajuće žice gitare mogu pomoći u vizualizaciji poprečnih valova. Ova vrsta titranja ne može se širiti u tekućem ili plinovitom mediju, jer se čestice tih medija kreću nasumično i nemoguće je organizirati njihovo kretanje okomito na smjer širenja vala. Poprečni tip valova kreće se mnogo sporije od longitudinalnog.
- Uzdužnivalovi.Čestice medija osciliraju u istom smjeru u kojem se širi val. Neki valovi ove vrste nazivaju se kompresijski ili kompresijski valovi. Uzdužne vibracije opruge - periodične kompresije i ekstenzije - omogućuju dobru vizualizaciju takvih valova. Longitudinalni valovi su najbrži valovi mehaničkog tipa. Zvučni valovi u zraku, tsunamiji i ultrazvuk su longitudinalni. To uključuje određenu vrstu seizmičkih valova koji se šire pod zemljom iu vodi.
Također preporučujemo
Produktivno i reproduktivno razmišljanje
Razumni egoizam - što je teorija razumnog egoizma?
Boris Nikolajevič Jeljcin, prvi predsjednik Rusije
Podzemne borbe. Podzemni kraljevi. Što je "boriti se ne za mase"? Gdje se možete boriti za novac?
Jakov Pavlov i drugi heroji Staljingrada koje trebate znati
Preživjeti nesreću na moru u snu - u stvarnosti doživjeti novu ljubav
Učitavam...