Dom > Rolnictwo

Przenosi się fala mechaniczna. Fale mechaniczne: źródło, właściwości, wzory

Fala– proces propagacji oscylacji w ośrodku sprężystym.

fala mechaniczna– zaburzenia mechaniczne rozchodzące się w przestrzeni i przenoszące energię.

Rodzaje fal:

    podłużne - cząstki ośrodka oscylują w kierunku propagacji fali - we wszystkich ośrodkach elastycznych;

x

kierunek oscylacji

punkty otoczenia

    poprzeczne - cząstki ośrodka oscylują prostopadle do kierunku propagacji fali - na powierzchni cieczy.

x

Rodzaje fal mechanicznych:

    fale sprężyste - propagacja odkształceń sprężystych;

    fale na powierzchni cieczy.

Charakterystyka fali:

Niech A oscyluje zgodnie z prawem:
.

Wtedy B oscyluje z opóźnieniem o kąt
, gdzie
, tj.

    Energia fal.

to całkowita energia jednej cząstki. Jeśli cząstkiN, to gdzie - epsilon, V - objętość.

Epsilon– energia na jednostkę objętości fali – wolumetryczna gęstość energii.

Strumień energii fal jest równy stosunkowi energii przenoszonej przez fale przez określoną powierzchnię do czasu, w którym odbywa się to przeniesienie:
, wat; 1 wat = 1J/s.

    Gęstość strumienia energii — natężenie fali- przepływ energii przez jednostkę powierzchni - wartość równa średniej energii przekazanej przez falę w jednostce czasu na jednostkę powierzchni przekroju.

[W/m2]

.

wektor Umov– wektor I pokazujący kierunek propagacji fali oraz równy przepływowi energia fal przechodząca przez jednostkę powierzchni prostopadłą do tego kierunku:

.

Właściwości fizyczne fali:

    Wibracyjny:

    1. amplituda

    Fala:

    1. długość fali

      prędkość fali

      intensywność

Drgania złożone (relaksacyjne) - inne niż sinusoidalne.

transformata Fouriera- dowolną złożoną funkcję okresową można przedstawić jako sumę kilku funkcji prostych (harmonicznych), których okresy są wielokrotnościami okresu funkcji zespolonej - jest to analiza harmoniczna. Występuje w parserach. Rezultatem jest widmo harmoniczne złożonej oscylacji:

ALE

0

Dźwięk - wibracje i fale, które działają na ludzkie ucho i wywołują wrażenie słuchowe.

Wibracje i fale dźwiękowe są szczególnym przypadkiem drgań i fal mechanicznych. Rodzaje dźwięków:

    tony- dźwięk, który jest procesem okresowym:

    1. prosty - harmoniczny - kamerton

      kompleks - anharmoniczny - mowa, muzyka

Złożony ton można rozłożyć na proste. Najniższą częstotliwością takiego rozkładu jest ton podstawowy, pozostałe harmoniczne (alikwoty) mają częstotliwości równe 2 i inni. Zbiór częstotliwości wskazujący ich względną intensywność to widmo akustyczne.

        Hałas - dźwięk ze złożoną nie powtarzającą się zależnością czasową (szelest, skrzypienie, oklaski). Widmo jest ciągłe.

Właściwości fizyczne dźwięku:


Charakterystyka wrażeń słuchowych:

    Wysokość zależy od częstotliwości fali dźwiękowej. Im wyższa częstotliwość, tym wyższy ton. Dźwięk o większej intensywności jest niższy.

    Tembr– określone przez widmo akustyczne. Im więcej tonów, tym bogatsze spektrum.

    Tom- charakteryzuje poziom czucia słuchowego. Zależy od natężenia i częstotliwości dźwięku. psychofizyczny Prawo Webera-Fechnera: jeśli zwiększysz podrażnienie w postęp geometryczny(tyle samo razy), wtedy uczucie tego podrażnienia wzrośnie w postęp arytmetyczny(o tę samą kwotę).

, gdzie E to głośność (mierzona w fonach);
- poziom intensywności (mierzony w belach). 1 bel - zmiana poziomu natężenia odpowiadająca 10-krotnej zmianie natężenia dźwięku K - współczynnik proporcjonalności, zależny od częstotliwości i natężenia.

Zależność między głośnością a intensywnością dźwięku jest krzywe równej głośności, zbudowane na danych eksperymentalnych (tworzą dźwięk o częstotliwości 1 kHz, zmieniają intensywność, aż pojawi się wrażenia słuchowe podobne do wrażenia głośności badanego dźwięku). Znając intensywność i częstotliwość, możesz znaleźć tło.

Audiometria- metoda pomiaru ostrości słuchu. Instrumentem jest audiometr. Powstała krzywa to audiogram. Określa się i porównuje próg czucia słuchowego na różnych częstotliwościach.

Miernik hałasu - pomiar poziomu hałasu.

W klinice: osłuchiwanie - stetoskop / fonendoskop. Fonendoskop to wydrążona kapsułka z membraną i gumowymi rurkami.

Fonokardiografia - graficzna rejestracja tła i szmerów serca.

Perkusja.

Ultradźwięk– drgania mechaniczne i fale o częstotliwości powyżej 20 kHz do 20 MHz. Emitery ultradźwięków są emiterami elektromechanicznymi opartymi na efekcie piezoelektrycznym ( prąd przemienny do elektrod, między którymi - kwarc).

Długość fali ultradźwięków jest mniejsza niż długość fali dźwięku: 1,4 m - dźwięk w wodzie (1 kHz), 1,4 mm - ultradźwięk w wodzie (1 MHz). Ultradźwięki są dobrze odbijane na granicy mięśnia kostno-okostnowego. Ultradźwięki nie przenikną do ludzkiego ciała, jeśli nie zostaną nasmarowane olejem (warstwą powietrza). Szybkość propagacji ultradźwięków zależy od środowiska. Procesy fizyczne: mikrodrgania, niszczenie biomakrocząsteczek, przebudowy i uszkodzenia błon biologicznych, efekt cieplny, niszczenie komórek i mikroorganizmów, kawitacja. W klinice: diagnostyka (encefalograf, kardiograf, USG), fizjoterapia (800 kHz), skalpel ultradźwiękowy, przemysł farmaceutyczny, osteosynteza, sterylizacja.

infradźwięki– fale o częstotliwości mniejszej niż 20 Hz. Działanie niepożądane - rezonans w ciele.

wibracje. Działanie korzystne i szkodliwe. Masaż. choroba wibracyjna.

efekt Dopplera– zmiana częstotliwości fal odbieranych przez obserwatora (odbiornik fal) ze względu na ruch względny źródła fal i obserwatora.

Przypadek 1: N podejść I.

Przypadek 2: I zbliża się do N.

Przypadek 3: podejście i odległość I i H od siebie:

Układ: generator ultradźwięków - odbiornik - jest nieruchomy względem medium. Obiekt się porusza. Otrzymuje ultradźwięki z częstotliwością
, odbija go, wysyłając go do odbiornika, który odbiera falę ultradźwiękową o częstotliwości
. Różnica częstotliwości - przesunięcie częstotliwości Dopplera:
. Służy do określenia prędkości przepływu krwi, prędkości ruchu zastawek.

Istnienie fali wymaga źródła oscylacji i materialnego ośrodka lub pola, w którym ta fala się rozchodzi. Fale mają najbardziej różnorodny charakter, ale mają podobne wzorce.

Z natury fizycznej wyróżnić:

Zgodnie z orientacją zakłóceń wyróżnić:

Fale podłużne -

Przemieszczenie cząstek następuje wzdłuż kierunku propagacji;

podczas ściskania w medium niezbędna jest siła sprężystości;

może być dystrybuowany w dowolnym środowisku.

Przykłady: fale dźwiękowe

Fale poprzeczne -

Przemieszczenie cząstek następuje w poprzek kierunku propagacji;

może się rozmnażać tylko w mediach elastycznych;

konieczna jest sprężystość ścinająca w ośrodku;

może rozprzestrzeniać się tylko w mediach stałych (i na granicy dwóch mediów).

Przykłady: elastyczne fale w sznurku, fale na wodzie

Zgodnie z naturą zależności od czasu wyróżnić:

elastyczne fale - przemieszczeń mechanicznych (deformacji) propagujących się w ośrodku sprężystym. Fala sprężysta nazywa się harmoniczny(sinusoidalny), jeśli odpowiadające mu drgania ośrodka są harmoniczne.

biegnące fale - Fale przenoszące energię w przestrzeni.

Zgodnie z kształtem powierzchni fali : fala płaska, kulista, cylindryczna.

fala frontu to miejsce punktów, do których osiągnęły oscylacje w tym momencie czas.

powierzchnia fali- umiejscowienie punktów oscylujących w jednej fazie.

Charakterystyka fali

Długość fali λ - odległość, na której rozchodzi się fala w czasie równym okresowi oscylacji

Amplituda fali A - amplituda oscylacji cząstek w fali

Prędkość fali v - szybkość propagacji zaburzeń w ośrodku

Okres fali T - okres oscylacji

Częstotliwość fali ν - odwrotność okresu

Równanie fali biegnącej

Podczas propagacji fali biegnącej zaburzenia ośrodka docierają do kolejnych punktów w przestrzeni, fala natomiast przekazuje energię i pęd, ale nie przenosi materii (cząstki ośrodka nadal oscylują w tym samym miejscu w przestrzeni).

gdzie v- prędkość , φ 0 - faza początkowa , ω – częstotliwość cykliczna , A– amplituda

Właściwości fal mechanicznych

1. odbicie fali – fale mechaniczne dowolnego pochodzenia mają zdolność odbijania się od interfejsu między dwoma mediami. Jeśli fala mechaniczna rozchodząca się w ośrodku napotka na swojej drodze jakąś przeszkodę, może radykalnie zmienić charakter swojego zachowania. Na przykład na styku dwóch mediów o różnych właściwości mechaniczne fala jest częściowo odbijana, a częściowo wnika w drugi ośrodek.

2. Załamanie fal – podczas propagacji fal mechanicznych można również zaobserwować zjawisko załamania: zmianę kierunku propagacji fal mechanicznych podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego.

3. Dyfrakcja fali – odchylenie fali od propagacja prostoliniowa, to znaczy pochylają się wokół przeszkód.

4. Zakłócenia fal – dodanie dwóch fal. W przestrzeni, w której rozchodzi się kilka fal, ich interferencja prowadzi do pojawienia się obszarów o minimalnych i maksymalnych wartościach amplitudy drgań

Interferencja i dyfrakcja fal mechanicznych.

Fala biegnąca wzdłuż gumki lub sznurka odbija się od stałego końca; tworzy to falę poruszającą się w przeciwnym kierunku.

Gdy fale nakładają się na siebie, można zaobserwować zjawisko interferencji. Zjawisko interferencji występuje, gdy nakładają się na siebie spójne fale.

zgodny nazywa sięfalemając te same częstotliwości, stałą różnicę faz, a oscylacje występują w tej samej płaszczyźnie.

ingerencja zwanym zjawiskiem czasowo-stałym wzajemnego wzmocnienia i tłumienia oscylacji w różne punkty medium w wyniku superpozycji fal koherentnych.

Wynik superpozycji fal zależy od faz, w których oscylacje nakładają się na siebie.

Jeśli fale ze źródeł A i B docierają do punktu C w tych samych fazach, wówczas oscylacje wzrosną; jeśli jest w przeciwnych fazach, to następuje osłabienie oscylacji. W rezultacie w przestrzeni powstaje stabilny wzór naprzemiennych obszarów wzmocnionych i osłabionych oscylacji.


Warunki maksymalne i minimalne

Jeżeli oscylacje punktów A i B pokrywają się w fazie i mają równe amplitudy, to oczywiste jest, że wynikowe przemieszczenie w punkcie C zależy od różnicy torów obu fal.

Maksymalne warunki


Jeżeli różnica między drogami tych fal jest równa całkowitej liczbie fal (tj. parzysta liczba półfal) Δd = kλ , gdzie k= 0, 1, 2, ..., to w punkcie superpozycji tych fal powstaje maksimum interferencji.

Maksymalny warunek :

A = 2x0.

Warunek minimalny


Jeśli różnica ścieżek tych fal jest równa nieparzystej liczbie półfal, to oznacza to, że fale z punktów A i B dotrą do punktu C w przeciwfazie i znoszą się nawzajem.

Minimalny warunek:

Amplituda oscylacji wynikowej A = 0.

Jeśli Δd nie jest równe całkowitej liczbie półfal, to 0< А < 2х 0 .

Dyfrakcja fal.

Zjawisko odchylenia od prostoliniowej propagacji i zaokrąglania przeszkód przez fale nazywa siędyfrakcja.

Zależność między długością fali (λ) a wielkością przeszkody (L) determinuje zachowanie fali. Dyfrakcja jest najbardziej wyraźna, jeśli długość fali padającej więcej rozmiarów przeszkody. Eksperymenty pokazują, że dyfrakcja zawsze istnieje, ale staje się zauważalna pod warunkiem D<<λ , gdzie d jest rozmiarem przeszkody.

Dyfrakcja jest powszechną właściwością fal dowolnej natury, która występuje zawsze, ale warunki jej obserwacji są różne.

Fala na powierzchni wody rozchodzi się w kierunku wystarczająco dużej przeszkody, za którą tworzy się cień, czyli tzw. nie obserwuje się procesu falowania. Ta nieruchomość jest wykorzystywana przy budowie falochronów w portach. Jeśli wielkość przeszkody jest porównywalna z długością fali, za przeszkodą pojawi się fala. Za nim fala rozchodzi się tak, jakby w ogóle nie było przeszkody, tj. obserwuje się dyfrakcję fal.

Przykłady manifestacji dyfrakcji . Słysząc głośną rozmowę za rogiem domu, odgłosy w lesie, fale na tafli wody.

stojące fale

stojące fale są tworzone przez dodanie fal bezpośrednich i odbitych, jeśli mają tę samą częstotliwość i amplitudę.

W strunie zamocowanej na obu końcach powstają drgania złożone, które można uznać za wynik superpozycji ( superpozycje) dwie fale rozchodzące się w przeciwnych kierunkach i doświadczające odbić i odbić na końcach. Wibracje strun zamocowanych na obu końcach tworzą dźwięki wszystkich strunowych instrumentów muzycznych. Bardzo podobne zjawisko występuje w brzmieniu instrumentów dętych, w tym piszczałek organowych.

wibracje strun. W rozciągniętej strunie zamocowanej na obu końcach, gdy wzbudzane są drgania poprzeczne, stojące fale , a węzły powinny znajdować się w miejscach mocowania sznurka. Dlatego struna jest podekscytowana zauważalna intensywność tylko takie drgania, których połowa długości fali pasuje do długości struny całkowitą liczbę razy.

To implikuje warunek

Długości fal odpowiadają częstotliwościom

n = 1, 2, 3...Częstotliwości vn nazywa się częstotliwości naturalne smyczki.

Wibracje harmoniczne z częstotliwościami vn nazywa się wibracje własne lub normalne . Nazywa się je również harmonicznymi. Ogólnie rzecz biorąc, wibracja struny jest superpozycją różnych harmonicznych.

Równanie fali stojącej :

W punktach, w których współrzędne spełniają warunek (n= 1, 2, 3, ...), całkowita amplituda jest równa wartości maksymalnej - to antywęzły stojąca fala. Współrzędne antywęzłów :

W punktach, których współrzędne spełniają warunek (n= 0, 1, 2,…), całkowita amplituda oscylacji jest równa zero – ten węzły stojąca fala. Współrzędne węzła:

Powstawanie fal stojących obserwuje się, gdy zakłócają się fale biegnące i odbite. Na granicy, w której odbija się fala, otrzymuje się antywęzeł, jeśli ośrodek, z którego następuje odbicie, jest mniej gęsty (a), a węzeł powstaje, jeśli jest gęstszy (b).

Jeśli rozważymy podróżująca fala , a następnie w kierunku jego propagacji energia jest przekazywana ruch oscylacyjny. Kiedy to samo nie ma stojącej fali transferu energii , dlatego fale padające i odbite o tej samej amplitudzie przenoszą tę samą energię w przeciwnych kierunkach.

Fale stojące powstają np. w rozciągniętej na obu końcach strunie, gdy wzbudzane są w niej drgania poprzeczne. Ponadto w miejscach zamocowań znajdują się węzły fali stojącej.

Jeśli fala stojąca utworzy się w słupie powietrza, który jest otwarty na jednym końcu (fala dźwiękowa), wówczas na otwartym końcu tworzy się antywęzeł, a na przeciwległym tworzy się węzeł.

proces falowy- proces transferu energii bez transferu materii.

fala mechaniczna- zaburzenia propagujące się w ośrodku elastycznym.

Warunkiem propagacji fal mechanicznych jest obecność ośrodka sprężystego.

Przenoszenie energii i pędu w ośrodku następuje w wyniku oddziaływania sąsiednich cząstek ośrodka.

Fale są podłużne i poprzeczne.

Wzdłużna fala mechaniczna - fala, w której ruch cząstek ośrodka następuje w kierunku propagacji fali. Poprzeczna fala mechaniczna - fala, w której cząstki ośrodka poruszają się prostopadle do kierunku propagacji fali.

Fale podłużne mogą rozchodzić się w każdym ośrodku. Fale poprzeczne nie występują w gazach i cieczach, ponieważ

nie ma ustalonych pozycji cząstek.

Okresowe działanie zewnętrzne powoduje fale okresowe.

fala harmoniczna- fala generowana przez drgania harmoniczne cząstek ośrodka.

Długość fali- odległość na jaką rozchodzi się fala w okresie drgań jej źródła:

mechaniczna prędkość fali- prędkość propagacji zaburzeń w ośrodku. Polaryzacja to uporządkowanie kierunków oscylacji cząstek w ośrodku.

Płaszczyzna polaryzacji- płaszczyzna, w której cząstki ośrodka drgają w fali. Fala mechaniczna spolaryzowana liniowo to fala, której cząstki oscylują w określonym kierunku (linii).

Polaryzator- urządzenie emitujące falę o określonej polaryzacji.

stojąca fala- fala powstała w wyniku nałożenia się dwóch fal harmonicznych propagujących się ku sobie i mających ten sam okres, amplitudę i polaryzację.

Antywęzły fali stojącej- położenie punktów o maksymalnej amplitudzie oscylacji.

Węzły fali stojącej- nieruchome punkty fali, których amplituda oscylacji jest równa zeru.

Na długości l struny zamocowanej na końcach mieści się liczba całkowita n półfal poprzecznych fal stojących:


Takie fale nazywane są trybami oscylacji.

Tryb oscylacji dla dowolnej liczby całkowitej n > 1 nazywany jest n-tą harmoniczną lub n-tym nadtonem. Tryb oscylacji dla n = 1 nazywany jest trybem oscylacji pierwszej harmonicznej lub podstawowej. fale dźwiękowe- fale sprężyste w ośrodku wywołujące wrażenia słuchowe u człowieka.

Częstotliwość drgań odpowiadająca falom dźwiękowym mieści się w zakresie od 16 Hz do 20 kHz.

Szybkość propagacji fal dźwiękowych zależy od szybkości przenoszenia interakcji między cząstkami. Prędkość dźwięku w ciele stałym v p z reguły jest większa niż prędkość dźwięku w cieczy v l, co z kolei przekracza prędkość dźwięku w gazie v g.


Sygnały dźwiękowe są klasyfikowane według wysokości, barwy i głośności. Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości źródła drgań dźwięku. Im wyższa częstotliwość drgań, tym wyższy dźwięk; wibracje o niskich częstotliwościach odpowiadają niskim dźwiękom. O barwie dźwięku decyduje forma drgań dźwiękowych. Różnica w kształcie drgań o tym samym okresie związana jest z różnymi względnymi amplitudami modu podstawowego i nadtonu. Głośność dźwięku charakteryzuje się poziomem natężenia dźwięku. Natężenie dźwięku - energia fal dźwiękowych padających na powierzchnię 1 m2 w ciągu 1 sekundy.

Fale. Ogólne własności fal.

Fala - jest to zjawisko propagacji w przestrzeni w czasie zmiany (zaburzenia) wielkości fizycznej niosącej ze sobą energię.

Niezależnie od natury fali, transfer energii zachodzi bez transferu materii; to ostatnie może wystąpić tylko jako efekt uboczny. Transfer energii- podstawowa różnica między falami a oscylacjami, w których zachodzą tylko „lokalne” przemiany energii. Fale z reguły są w stanie przebyć znaczne odległości od miejsca swojego pochodzenia. Z tego powodu fale są czasami określane jako „ wibracje oderwane od emitera».

Fale można sklasyfikować

Z natury:

Fale sprężyste - fale rozchodzące się w ośrodkach ciekłych, stałych i gazowych w wyniku działania sił sprężystych.

Fale elektromagnetyczne- propagujące się w przestrzeni zaburzenia (zmiany stanu) pola elektromagnetycznego.

Fale na powierzchni cieczy- umowna nazwa różnych fal, które występują na styku cieczy i gazu lub cieczy i cieczy. Fale na wodzie różnią się podstawowym mechanizmem oscylacji (kapilarnym, grawitacyjnym itp.), co prowadzi do różnych praw dyspersji, a co za tym idzie do odmiennego zachowania tych fal.

Ze względu na kierunek oscylacji cząstek ośrodka:

Fale podłużne - cząstki ośrodka oscylują równoległy w kierunku propagacji fali (jak na przykład w przypadku propagacji dźwięku).

Fale poprzeczne - cząstki ośrodka oscylują prostopadły kierunek propagacji fal (fale elektromagnetyczne, fale na powierzchniach separacji mediów).

a - poprzeczny; b - podłużny.

mieszane fale.

Zgodnie z geometrią czoła fali:

Powierzchnia fali (czoło fali) to umiejscowienie punktów, do których perturbacja osiągnęła dany punkt w czasie. W jednorodnym ośrodku izotropowym prędkość propagacji fali jest taka sama we wszystkich kierunkach, co oznacza, że ​​wszystkie punkty frontu oscylują w tej samej fazie, front jest prostopadły do ​​kierunku propagacji fali, a wartości oscylacji ilość we wszystkich punktach frontu jest taka sama.

mieszkanie fala - płaszczyzny fazowe są prostopadłe do kierunku propagacji fali i równoległe do siebie.

kulisty fala - powierzchnia równych faz jest kulą.

Cylindryczny fala - powierzchnia faz przypomina cylinder.

Spirala fala - powstaje, gdy kuliste lub cylindryczne źródło / źródła fali w procesie promieniowania poruszają się wzdłuż pewnej zamkniętej krzywej.

fala samolotu

Falę nazywamy płaską, jeśli jej powierzchnie są płaszczyznami równoległymi do siebie, prostopadłymi do prędkości fazowej fali. = f(x, t)).

Rozważmy płaską monochromatyczną (jednoczęstotliwościową) falę sinusoidalną rozchodzącą się w jednorodnym ośrodku bez tłumienia wzdłuż osi X.

,gdzie

Prędkość fazowa fali to prędkość powierzchni fali (przód),

- amplituda fali - moduł maksymalnego odchylenia wartości zmieniającej się od położenia równowagi,

– częstotliwość cykliczna, T – okres oscylacji, – częstotliwość fali (podobna do oscylacji)

k - liczba falowa, ma znaczenie częstotliwości przestrzennej,

Kolejną cechą charakterystyczną fali jest długość fali m, jest to odległość, na której rozchodzi się fala podczas jednego okresu oscylacji, ma to znaczenie okresu przestrzennego, jest to najkrótsza odległość między punktami oscylacyjnymi w jednej fazie.


tak

Długość fali jest powiązana z liczbą falową relacją , która jest podobna do relacji czasowej

Liczba fal jest związana z częstotliwością cykliczną i prędkością propagacji fali


x
tak
tak

Figury przedstawiają oscylogram (a) i migawkę (b) fali ze wskazanymi okresami czasu i przestrzeni. W przeciwieństwie do oscylacji stacjonarnych, fale mają dwie główne cechy: okresowość czasową i okresowość przestrzenną.

Ogólne właściwości fal:


  1. Fale niosą energię.
Natężenie fali to uśredniona w czasie energia, którą fala elektromagnetyczna lub dźwiękowa przenosi w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni umieszczoną prostopadle do kierunku propagacji fali. Natężenie fali jest proporcjonalne do kwadratu jej amplitudy I=W/t∙S, gdzie W to energia, t to czas, S to powierzchnia frontu. I=[W/m2]. Intensywność każdej fali można również określić przez I=wv, gdzie v jest prędkością propagacji fali (grupa).

2. Fale wywierają nacisk na ciała (mają pęd).

3. Prędkość fali w ośrodku zależy od częstotliwości fali - dyspersji, a zatem fale o różnych częstotliwościach rozchodzą się w tym samym ośrodku z różnymi prędkościami (prędkość fazowa).

4. Fale uginają się wokół przeszkód - dyfrakcja.

Dyfrakcja występuje, gdy wielkość przeszkody jest porównywalna z długością fali.

5. Na styku dwóch mediów fale są odbijane i załamywane.

Kąt padania jest równy kątowi odbicia, a stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla tych dwóch mediów.


6. Gdy fale koherentne nakładają się na siebie (różnica faz tych fal w dowolnym punkcie jest stała w czasie), interferują - powstaje stabilny wzór minimów i maksimów interferencji.

Fale i źródła, które je wzbudzają, nazywane są koherentnymi, jeśli różnica faz fal nie zależy od czasu. Fale i źródła, które je wzbudzają, nazywane są niespójnymi, jeśli różnica faz fal zmienia się w czasie.

Interferować mogą tylko fale o tej samej częstotliwości, w których oscylacje występują w tym samym kierunku (tj. fale koherentne). Zakłócenia mogą być stacjonarne lub niestacjonarne. Tylko spójne fale mogą dawać stacjonarny wzór interferencji. Na przykład dwie sferyczne fale na powierzchni wody, rozchodzące się z dwóch spójnych źródeł punktowych, po interferencji wytworzą falę wypadkową. Przód powstałej fali będzie kulą.

Kiedy fale przeszkadzają, ich energie się nie sumują. Interferencja fal prowadzi do redystrybucji energii oscylacji pomiędzy różnymi blisko oddalonymi od siebie cząstkami ośrodka. Nie jest to sprzeczne z prawem zachowania energii, ponieważ średnio dla dużego obszaru przestrzeni energia fali wynikowej jest równa sumie energii fal zakłócających.

Gdy fale niespójne są nakładane, średnia wartość kwadratu amplitudy fali wynikowej jest równa sumie kwadratu amplitud nałożonych fal. Energia wynikowych oscylacji każdego punktu ośrodka jest równa sumie energii jego oscylacji, ze względu na wszystkie fale niespójne z osobna.

7. Fale są pochłaniane przez ośrodek. Wraz ze wzrostem odległości od źródła amplituda fali maleje, ponieważ energia fali jest częściowo przenoszona do ośrodka.

8. Fale są rozpraszane w niejednorodnym ośrodku.

Rozpraszanie - zaburzenia pól falowych spowodowane niejednorodnością ośrodka i rozpraszaniem obiektów znajdujących się w tym ośrodku. Intensywność rozpraszania zależy od wielkości niejednorodności i częstotliwości fali.

fale mechaniczne. Dźwięk. Charakterystyka dźwięku .

Fala- perturbacja propagująca się w przestrzeni.

Ogólne właściwości fal:


  • nieść energię;

  • mieć rozpęd (wywierać nacisk na ciała);

  • na granicy dwóch mediów są odbite i załamane;

  • wchłaniane przez środowisko;

  • dyfrakcja;

  • ingerencja;

  • dyspersja;

  • Prędkość fal zależy od ośrodka, przez który fale przechodzą.

  1. Fale mechaniczne (sprężyste).
Jeżeli w dowolnym miejscu ośrodka sprężystego (stałego, ciekłego lub gazowego) wzbudzane są oscylacje cząstek, to w wyniku oddziaływania atomów i cząsteczek ośrodka drgania zaczynają być przenoszone z jednego punktu do drugiego ze skończoną prędkością w zależności od gęstość i właściwości sprężyste ośrodka. Zjawisko to nazywane jest falą mechaniczną lub elastyczną. Zauważ, że fale mechaniczne nie mogą się rozchodzić w próżni.

Szczególny przypadek fal mechanicznych - fale na powierzchni cieczy, fale powstające i rozchodzące się wzdłuż swobodnej powierzchni cieczy lub na styku dwóch niemieszających się cieczy. Powstają pod wpływem zewnętrznego wpływu, w wyniku którego powierzchnia cieczy jest usuwana ze stanu równowagi. W tym przypadku powstają siły przywracające równowagę: siły napięcia powierzchniowego i grawitacji.

Fale mechaniczne są dwojakiego rodzaju


Fale podłużne, którym towarzyszą naprężenia rozciągające i ściskające, mogą rozchodzić się w dowolnych ośrodkach sprężystych: gazach, cieczach i ciałach stałych. Fale poprzeczne propagują się w tych ośrodkach, w których siły sprężyste pojawiają się podczas deformacji ścinającej, tj. w ciałach stałych.

Sporym zainteresowaniem praktycznym cieszą się proste fale harmoniczne lub sinusoidalne. Równanie sinusoidalne na płaszczyźnie to:

- tak zwany numer fali ,

– częstotliwość kołowa ,

ALE - amplituda oscylacji cząstek.

Rysunek przedstawia „migawki” fali poprzecznej w dwóch punktach czasowych: t i t + Δt. W czasie Δt fala przemieściła się wzdłuż osi OX o odległość υΔt. Takie fale nazywane są falami biegnącymi.

Długość fali λ to odległość między dwoma sąsiednimi punktami na osi OX, oscylująca w tych samych fazach. Odległość równa długości fali λ, fala biegnie przez okres T, zatem

λ = υT, gdzie υ jest prędkością propagacji fali.

Dla dowolnego wybranego punktu na wykresie procesu falowego (na przykład dla punktu A), współrzędna x tego punktu zmienia się w czasie t, a wartość wyrażenia t – kx nie zmienia. Po upływie czasu Δt punkt A przesunie się wzdłuż osi OX na pewną odległość Δx = υΔt. W konsekwencji: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = const lub ωΔt = kΔx.

Oznacza to:

Tak więc wędrująca fala sinusoidalna ma podwójną okresowość - w czasie i przestrzeni. Okres czasu jest równy okresowi oscylacji T cząstek ośrodka, okres przestrzenny jest równy długości fali λ. Liczba falowa jest przestrzennym analogiem częstotliwości kołowej.


  1. Dźwięk.
Dźwięk- są to drgania mechaniczne, które rozchodzą się w ośrodkach elastycznych - gazach, cieczach i ciałach stałych, odbierane przez narząd słuchu. Dźwięk jest falą o dość niskim natężeniu.Zakres słyszalnych częstotliwości dźwięku mieści się w zakresie od około 20 Hz do 20 kHz. Nazywane są fale o częstotliwości mniejszej niż 20 Hz infradźwięki, oraz o częstotliwości większej niż 20 kHz - ultradźwięk. Nazywane są fale o częstotliwościach od do Hz naddźwiękowy. Dział fizyki zajmujący się badaniem zjawisk dźwiękowych nazywa się akustyką.

Każdy proces oscylacyjny jest opisany równaniem. Został on również wyprowadzony dla wibracji dźwięku:

Podstawowe cechy fal dźwiękowych



Subiektywne postrzeganie dźwięku

(głośność, wysokość, barwa)
Obiektywne właściwości fizyczne dźwięku

(prędkość, intensywność, widmo)

Prędkość dźwięku w dowolnym ośrodku gazowym oblicza się według wzoru:

β - ściśliwość adiabatyczna ośrodka,

ρ - gęstość.


  1. Stosowanie dźwięku
Dobrze znanymi zwierzętami posiadającymi zdolność echolokacji są nietoperze i delfiny. Pod względem doskonałości echolokatory tych zwierząt nie są gorsze, ale pod wieloma względami przewyższają (pod względem niezawodności, dokładności, efektywności energetycznej) nowoczesne echolokatory wykonane przez człowieka.

Sonary używane pod wodą nazywane są sonarem lub sonarem (nazwa sonar składa się z pierwszych liter trzech angielskich słów: dźwięk - dźwięk; nawigacja - nawigacja; zasięg - zasięg). Sonary są niezbędne do badania dna morskiego (jego profilu, głębokości), do wykrywania i badania różnych obiektów poruszających się głęboko pod wodą. Z ich pomocą można łatwo wykryć zarówno pojedyncze duże przedmioty lub zwierzęta, jak i stada małych ryb lub mięczaków.

Fale częstotliwości ultradźwiękowych są szeroko stosowane w medycynie do celów diagnostycznych. Skanery ultradźwiękowe umożliwiają badanie narządów wewnętrznych osoby. Promieniowanie ultradźwiękowe jest mniej szkodliwe dla ludzi niż promieniowanie rentgenowskie.

Fale elektromagnetyczne.

Ich właściwości.

fala elektromagnetyczna jest polem elektromagnetycznym rozchodzącym się w przestrzeni w czasie.

Fale elektromagnetyczne mogą być wzbudzane tylko przez szybko poruszające się ładunki.

Istnienie fal elektromagnetycznych zostało teoretycznie przewidziane przez wielkiego angielskiego fizyka J. Maxwella w 1864 roku. Zaproponował nową interpretację prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya i dalej rozwijał swoje pomysły.

Każda zmiana pola magnetycznego generuje wirowe pole elektryczne w otaczającej przestrzeni, zmienne w czasie pole elektryczne generuje pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni.

Rysunek 1. Zmienne pole elektryczne generuje zmienne pole magnetyczne i odwrotnie

Właściwości fal elektromagnetycznych w oparciu o teorię Maxwella:

Fale elektromagnetyczne poprzeczny – wektory i są prostopadłe do siebie i leżą w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji.

Rysunek 2. Propagacja fali elektromagnetycznej

Pola elektryczne i magnetyczne w fali biegnącej zmieniają się w jednej fazie.

Wektory w wędrującej fali elektromagnetycznej tworzą tzw. prawą trójkę wektorów.

Oscylacje wektorów i zachodzą w fazie: w tym samym momencie czasu, w jednym punkcie przestrzeni, rzuty natężenia pola elektrycznego i magnetycznego osiągają maksimum, minimum lub zero.

Fale elektromagnetyczne rozchodzą się w materii z prędkość końcowa

Gdzie - przenikalność dielektryczna i magnetyczna ośrodka (od nich zależy prędkość propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku),

Stałe elektryczne i magnetyczne.

Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni



Gęstość strumienia energii elektromagnetycznej lubintensywność J nazywana energią elektromagnetyczną przenoszoną przez falę na jednostkę czasu przez powierzchnię jednostki powierzchni:

,


Podstawiając tutaj wyrażenia na , i υ oraz biorąc pod uwagę równość gęstości objętościowych energii pól elektrycznych i magnetycznych w fali elektromagnetycznej, otrzymujemy:

Fale elektromagnetyczne mogą być spolaryzowane.

Podobnie fale elektromagnetyczne mają wszystkie podstawowe właściwości fal : przenoszą energię, mają pęd, są odbijane i załamywane na styku dwóch ośrodków, pochłaniane przez ośrodek, wykazują właściwości dyspersji, dyfrakcji i interferencji.

Eksperymenty Hertza (eksperymentalne wykrywanie fal elektromagnetycznych)

Po raz pierwszy eksperymentalnie zbadano fale elektromagnetyczne

Hertza w 1888 roku. Opracował udany projekt generatora drgań elektromagnetycznych (wibrator Hertza) oraz metodę ich wykrywania metodą rezonansową.

Wibrator składał się z dwóch liniowych przewodników, na końcach których znajdowały się metalowe kulki tworzące iskiernik. Kiedy wysokie napięcie zostało przyłożone z indukcji do tuszy, iskra wskoczyła w szczelinę, która spowodowała zwarcie szczeliny. Podczas jego spalania w obwodzie zachodziła duża liczba oscylacji. Odbiornik (rezonator) składał się z drutu z iskiernikiem. Obecność rezonansu wyrażała się w pojawieniu się iskier w iskierniku rezonatora w odpowiedzi na iskrę powstającą w wibratorze.

W ten sposób eksperymenty Hertza dostarczyły solidnych podstaw dla teorii Maxwella. Przewidywane przez Maxwella fale elektromagnetyczne sprawdziły się w praktyce.

ZASADY ŁĄCZNOŚCI RADIOWEJ

Komunikacja radiowa transmisja i odbiór informacji za pomocą fal radiowych.

24 marca 1896 r. Na posiedzeniu Wydziału Fizyki Rosyjskiego Towarzystwa Fizyczno-Chemicznego Popow za pomocą swoich instrumentów wyraźnie zademonstrował transmisję sygnałów na odległość 250 m, przekazując pierwszy na świecie dwuwyrazowy radiogram „Heinrich Herc".

SCHEMAT ODBIORNIKA A.S. POPOV

Popow używał komunikacji radiotelegraficznej (transmisja sygnałów o różnym czasie trwania), taką komunikację można przeprowadzić tylko za pomocą kodu. Jako źródło fal radiowych zastosowano nadajnik iskier z wibratorem Hertza, a odbiornikiem koherer, szklaną rurkę z metalowymi opiłkami, której rezystancja, gdy uderzy w nią fala elektromagnetyczna, spada setki razy. Aby zwiększyć czułość koherera, jeden z jego końców był uziemiony, a drugi podłączony do drutu uniesionego nad Ziemią, którego całkowita długość wynosi ćwierć długości fali. Sygnał nadajnika iskier zanika szybko i nie może być przesyłany na duże odległości.

Łączność radiotelefoniczna (mowa i muzyka) wykorzystuje sygnał modulowany wysokiej częstotliwości. Sygnał o niskiej (dźwiękowej) częstotliwości przenosi informacje, ale praktycznie nie jest emitowany, a sygnał o wysokiej częstotliwości jest dobrze emitowany, ale nie przenosi informacji. Modulacja jest wykorzystywana do komunikacji radiotelefonicznej.

Modulacja - proces ustalania korespondencji pomiędzy parametrami sygnału HF i LF.

W inżynierii radiowej stosuje się kilka rodzajów modulacji: amplituda, częstotliwość, faza.

Modulacja amplitudy - zmiana amplitudy oscylacji (elektrycznych, mechanicznych itp.), zachodząca z częstotliwością znacznie niższą niż częstotliwość samych oscylacji.

Oscylacja harmonicznej wysokiej częstotliwości ω jest modulowana amplitudą przez oscylację harmoniczną niskiej częstotliwości Ω (τ = 1/Ω jest jej okresem), t jest czasem, A jest amplitudą drgań wysokiej częstotliwości, T jest jej okresem.

Schemat komunikacji radiowej za pomocą sygnału AM

Oscylator AM

Amplituda sygnału RF zmienia się zgodnie z amplitudą sygnału LF, następnie zmodulowany sygnał jest emitowany przez antenę nadawczą.

W odbiorniku radiowym antena odbiorcza odbiera fale radiowe, w obwodzie oscylacyjnym, w wyniku rezonansu, wybierany i wzmacniany jest sygnał, do którego dostrajany jest obwód (częstotliwość nośna stacji nadawczej), a następnie składowa o niskiej częstotliwości sygnału musi być wybrany.

Wykrywacz radiowy

Wykrycie – proces przetwarzania sygnału o wysokiej częstotliwości na sygnał o niskiej częstotliwości. Sygnał odebrany po wykryciu odpowiada sygnałowi dźwiękowemu, który zadziałał na mikrofon nadajnika. Po wzmocnieniu drgania o niskiej częstotliwości mogą zostać przekształcone w dźwięk.

Detektor (demodulator)

Dioda służy do prostowania prądu przemiennego

a) sygnał AM, b) wykryty sygnał

RADAR

Wykrywanie i precyzyjne określanie położenia obiektów oraz prędkości ich ruchu za pomocą fal radiowych nazywa się radar . Zasada działania radaru opiera się na właściwości odbijania fal elektromagnetycznych od metali.

1 - antena obrotowa; 2 - przełącznik antenowy; 3 - nadajnik; 4 - odbiornik; 5 - skaner; 6 - wskaźnik odległości; 7 - kierunkowskaz.

W przypadku radaru stosuje się fale radiowe o wysokiej częstotliwości (VHF), za ich pomocą łatwo formuje się wiązka kierunkowa, a moc promieniowania jest wysoka. W zakresie metrowym i decymetrowym - kratowe układy wibratorów, w zakresie centymetrowym i milimetrowym - emitery paraboliczne. Lokalizację można prowadzić zarówno w trybie ciągłym (w celu wykrycia celu), jak i impulsowym (w celu określenia prędkości obiektu).

Obszary zastosowania radaru:


  • Lotnictwo, astronautyka, marynarka wojenna: bezpieczeństwo ruchu statków przy każdej pogodzie i o każdej porze dnia, zapobieganie ich kolizjom, bezpieczeństwo startu itp. lądowania samolotów.

  • Wojna: szybkie wykrywanie wrogich samolotów lub pocisków, automatyczne dostosowywanie ognia przeciwlotniczego.

  • Radar planetarny: pomiar odległości do nich, określenie parametrów ich orbit, określenie okresu obrotu, obserwacja topografii powierzchni. W byłym Związku Radzieckim (1961) - radar Wenus, Merkurego, Marsa, Jowisza. W USA i na Węgrzech (1946) - eksperyment z odbieraniem sygnału odbitego od powierzchni księżyca.
TELEWIZOR

Schemat telekomunikacyjny zasadniczo pokrywa się ze schematem komunikacji radiowej. Różnica polega na tym, że oprócz sygnału dźwiękowego przesyłany jest obraz i sygnały sterujące (zmiana linii i zmiana ramki) w celu synchronizacji działania nadajnika i odbiornika. W nadajniku sygnały te są modulowane i przesyłane, w odbiorniku są odbierane przez antenę i trafiają do przetwarzania, każdy po własnej ścieżce.

Rozważ jeden z możliwych schematów konwersji obrazu na oscylacje elektromagnetyczne za pomocą ikonoskopu:

Za pomocą układu optycznego obraz jest rzutowany na ekran mozaikowy, w wyniku efektu fotoelektrycznego komórki ekranu uzyskują inny ładunek dodatni. Działo elektronowe generuje wiązkę elektronów, która przemieszcza się po ekranie, rozładowując dodatnio naładowane ogniwa. Ponieważ każda komórka jest kondensatorem, zmiana ładunku prowadzi do pojawienia się zmieniającego się napięcia - oscylacji elektromagnetycznej. Sygnał jest następnie wzmacniany i podawany do urządzenia modulującego. W kineskopie sygnał wideo jest zamieniany z powrotem na obraz (na różne sposoby, w zależności od zasady działania kineskopu).

Ponieważ sygnał telewizyjny przenosi znacznie więcej informacji niż radiowy, praca odbywa się na wysokich częstotliwościach (metry, decymetry).

Propagacja fal radiowych.
Fala radiowa - jest falą elektromagnetyczną z zakresu (10 4

Każda sekcja tego asortymentu jest stosowana tam, gdzie można najlepiej wykorzystać jej zalety. Fale radiowe o różnych zakresach rozchodzą się na różne odległości. Propagacja fal radiowych zależy od właściwości atmosfery. Powierzchnia ziemi, troposfera i jonosfera również mają silny wpływ na propagację fal radiowych.


Propagacja fal radiowych- jest to proces przenoszenia oscylacji elektromagnetycznych o zasięgu radiowym w przestrzeni z jednego miejsca do drugiego, w szczególności z nadajnika do odbiornika.
Fale o różnych częstotliwościach zachowują się inaczej. Rozważmy bardziej szczegółowo cechy propagacji fal długich, średnich, krótkich i ultrakrótkich.
Propagacja fal długich.

Rozchodzą się fale długie (>1000 m):


  • Na odległościach do 1-2 tys. km z powodu dyfrakcji na kulistej powierzchni Ziemi. Potrafi chodzić? Ziemia(Rysunek 1). Wtedy ich propagacja następuje dzięki prowadzeniu działania sferycznego falowodu, bez odbicia.

Ryż. jeden

Jakość połączenia:

stabilność odbioru. Jakość odbioru nie zależy od pory dnia, roku, warunków pogodowych.

Niedogodności:

Ze względu na silną absorpcję fali rozchodzącej się po powierzchni ziemi wymagana jest duża antena i potężny nadajnik.

Zakłócają wyładowania atmosferyczne (piorun).

Stosowanie:


  • Zasięg jest wykorzystywany do radiofonii, radiotelegrafii, usług radionawigacyjnych oraz do komunikacji z okrętami podwodnymi.

  • Istnieje niewielka liczba stacji radiowych nadających dokładne sygnały czasu i meldunki meteorologiczne.
Propagacja fal średnich

Fale średnie ( =100..1000 m) rozchodzą się:


  • Jak długie fale są w stanie zagiąć się wokół powierzchni ziemi.

  • Podobnie jak fale krótkie, mogą również wielokrotnie odbijać się od jonosfery.
W przypadku dużej odległości od nadajnika odbiór może być słaby w ciągu dnia, ale odbiór poprawia się w nocy. Siła odbioru zależy również od pory roku. Tak więc w dzień rozprzestrzeniają się tak krótko, a w nocy - tak długo.

Jakość połączenia:


  • Krótki zasięg komunikacji. Stacje fal średnich są słyszalne w promieniu tysiąca kilometrów. Ale istnieje wysoki poziom zakłóceń atmosferycznych i przemysłowych.
Stosowanie:

  • Używany do komunikacji oficjalnej i amatorskiej, a także głównie do nadawania.
Rozpościerający siękrótki fale

Fale krótkie (=10..100 m) rozchodzą się:


  • Wielokrotnie odbijane od jonosfery i powierzchni ziemi (ryc. 2)


Jakość połączenia:

Jakość odbioru fal krótkich zależy w dużej mierze od różnych procesów zachodzących w jonosferze związanych z poziomem aktywności słonecznej, porą roku i porą dnia. Nie są wymagane nadajniki dużej mocy. Nie nadają się do komunikacji między stacjami naziemnymi a statkami kosmicznymi, ponieważ nie przechodzą przez jonosferę.

Stosowanie:


  • Do komunikacji na duże odległości. Do transmisji telewizyjnych, radiowych i komunikacji radiowej z poruszającymi się obiektami. Istnieją departamentalne radiostacje telegraficzne i telefoniczne. Ten zakres jest najbardziej „zaludniony”.
Dystrybucja ultrakrótkichfale

Fale ultrakrótkie (


  • Czasami mogą odbijać się od chmur, sztucznych satelitów Ziemi, a nawet od księżyca. W takim przypadku zasięg komunikacji może nieznacznie wzrosnąć.
Jakość połączenia:

Odbiór fal ultrakrótkich charakteryzuje się stałością słyszalności, brakiem zaniku, a także redukcją różnych zakłóceń.

Komunikacja na tych falach jest możliwa tylko w zasięgu wzroku L(rys. 7).


Ponieważ fale ultrakrótkie nie rozchodzą się poza horyzont, konieczne staje się zbudowanie wielu nadajników pośrednich - repeaterów.

Przekaźnik- urządzenie zlokalizowane w punktach pośrednich linii radiokomunikacyjnych, wzmacniające odbierane sygnały i przesyłające je dalej.

przekaźnik- odbiór sygnałów w punkcie pośrednim, ich wzmocnienie i transmisja w tym samym lub innym kierunku. Retransmisja ma na celu zwiększenie zasięgu komunikacji.

Istnieją dwa sposoby przekazywania: satelitarny i naziemny.

Satelita:

Aktywny satelita przekaźnikowy odbiera sygnał stacji naziemnej, wzmacnia go i poprzez potężny nadajnik kierunkowy wysyła sygnał na Ziemię w tym samym lub innym kierunku.



Grunt:

Sygnał przesyłany jest do naziemnej analogowej lub cyfrowej stacji radiowej lub sieci takich stacji, a następnie przesyłany dalej w tym samym kierunku lub w innym kierunku.


1 - nadajnik radiowy,

2 - antena nadawcza, 3 - antena odbiorcza, 4 - odbiornik radiowy.

Stosowanie:

rakiety kosmiczne. Szeroko stosowany do transmisji telewizyjnych i radiowych (pasma VHF i FM), radionawigacji, komunikacji radarowej i komórkowej.

VHF dzielą się na następujące zakresy:

fale metrowe - od 10 do 1 metra, służący do komunikacji telefonicznej między statkami, statkami i służbami portowymi.

decymetr - od 1 metra do 10 cm, wykorzystywane do komunikacji satelitarnej.

centymetr - od 10 do 1 cm, stosowany w radarze.

milimetr - od 1cm do 1mm, stosowany głównie w medycynie.

Mechanicznyfala w fizyce jest to zjawisko propagacji zaburzeń, któremu towarzyszy przenoszenie energii ciała oscylującego z jednego punktu do drugiego bez przenoszenia materii w jakimś ośrodku sprężystym.

Ośrodek, w którym zachodzi elastyczna interakcja między cząsteczkami (ciecz, gaz lub solidny) jest warunkiem wstępnym wystąpienia zakłóceń mechanicznych. Są one możliwe tylko wtedy, gdy cząsteczki substancji zderzają się ze sobą, przenosząc energię. Jednym z przykładów takich perturbacji jest dźwięk (fala akustyczna). Dźwięk może przemieszczać się w powietrzu, wodzie lub ciało stałe ale nie w próżni.

Do wytworzenia fali mechanicznej potrzebna jest pewna energia początkowa, która wyprowadzi ośrodek z równowagi. Ta energia będzie następnie przekazywana przez falę. Na przykład kamień wrzucony do niewielkiej ilości wody tworzy falę na powierzchni. Głośny krzyk tworzy falę akustyczną.

Główne rodzaje fal mechanicznych:

  • Dźwięk;
  • Na powierzchni wody;
  • trzęsienia ziemi;
  • fale sejsmiczne.

Fale mechaniczne mają szczyty i doliny, jak wszystkie ruchy oscylacyjne. Ich główne cechy to:

  • Częstotliwość. Jest to liczba oscylacji na sekundę. Jednostki miary w SI: [ν] = [Hz] = [s -1].
  • Długość fali. Odległość między sąsiednimi szczytami lub dolinami. [λ] = [m].
  • Amplituda. Największe odchylenie punktu środkowego od położenia równowagi. [X max] = [m].
  • Prędkość. Jest to odległość, jaką fala pokonuje w ciągu sekundy. [V] = [m/s].

Długość fali

Długość fali to odległość pomiędzy najbliższymi sobie punktami, oscylującymi w tych samych fazach.

Fale rozchodzą się w przestrzeni. Kierunek ich propagacji nazywa się Belka i oznaczony linią prostopadłą do powierzchni fali. A ich prędkość oblicza się według wzoru:

Granica powierzchni fali, która oddziela część ośrodka, w której oscylacje już występują, od tej części ośrodka, w której oscylacje jeszcze się nie rozpoczęły, falaprzód.

Fale podłużne i poprzeczne

Jednym ze sposobów klasyfikacji mechanicznego typu fal jest określenie kierunku ruchu poszczególnych cząstek ośrodka w fali w stosunku do kierunku jej propagacji.

W zależności od kierunku ruchu cząstek w falach istnieją:

  1. poprzecznyfale. Cząsteczki ośrodka w tego typu falach oscylują pod kątem prostym do wiązki fali. Fale w stawie lub wibrujące struny gitary mogą pomóc w wizualizacji fal poprzecznych. Ten rodzaj oscylacji nie może rozchodzić się w ośrodku ciekłym lub gazowym, ponieważ cząstki tych ośrodków poruszają się losowo i niemożliwe jest zorganizowanie ich ruchu prostopadle do kierunku propagacji fali. Fale poprzeczne poruszają się znacznie wolniej niż fale podłużne.
  2. Wzdłużnyfale. Cząsteczki ośrodka oscylują w tym samym kierunku, w którym rozchodzi się fala. Niektóre fale tego typu nazywane są falami kompresji lub kompresji. Drgania wzdłużne sprężyny - okresowe ściskanie i rozciąganie - zapewniają dobrą wizualizację takich fal. Fale podłużne to najszybsze fale typu mechanicznego. Fale dźwiękowe w powietrzu, tsunami i ultradźwięki są podłużne. Należą do nich pewien rodzaj fal sejsmicznych rozchodzących się pod ziemią i w wodzie.

Polecamy również

Ładowanie...Ładowanie...