Mehanski valovi, lastnosti, formule, vrste

A Mehanski val To je motnja, ki potrebuje fizično okolje za širjenje. Najbližji primer je v zvoku, ki lahko prenaša skozi plin, tekočino ali trdno snov.

Drugi dobro znani mehanski valovi so tisti, ki se pojavijo, ko pritisnete napeto vrv glasbenega instrumenta. Ali običajno krožne valovine, ki povzročajo kamen, vrženo v ribnik.

Slika 1. Napete vrvi glasbenega instrumenta vibrirajo s križnimi valovi. Vir: Pixabay.

Motnje potujejo skozi medij, ki proizvaja različne premike v delcih, ki ga sestavljajo, odvisno od vrste vala. Ko val prehaja, vsak delček medija izvaja ponavljajoče se gibe, ki ga na kratko ločijo od njegovega ravnotežnega položaja.

Trajanje motenj je odvisno od njegove energije. V valovitih gibanju je energija tisto, kar se širi z ene strani medija na drugo, saj se delci, ki vibrirajo.

Val in energija, ki jo prevaža, lahko premikajo velike razdalje. Ko val izgine, je to zato, ker se je njegova energija na koncu razpršila, saj je bila tako tiha in tiha, kot je bila pred motnjo.

[TOC]

Vrste mehanskih valov

Mehanski valovi so razvrščeni v tri glavne skupine:

- Križni valovi.

- Vzdolžni valovi.

- Površinski valovi.

Križni valovi

V prečnih valovih se delci pravokotno premikajo na smer širjenja. Na primer, delci vrvi naslednje slike segajo navpično, medtem ko se val premika od leve proti desni:

Slika 2. Prečni val na vrvi. Smer širjenja vala in smeri gibanja posameznega delca sta pravokotna. Vir: Sharon Bewick [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]

Vzdolžni valovi

V vzdolžnih valovih je smer širjenja in smer gibanja delcev vzporedna.

Slika 3. Vzdolžni val. Vir: Polpol [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licence/by-sa/3.0)]

Površinski valovi

V morskem valu so na površini združeni vzdolžni valovi in ​​prečni valovi, zato so površni valovi, ki potujejo na meji med dvema različnima sredstvih: voda in zrak, kot je razvidno iz naslednje slike.

Slika 4. Morski valovi, ki združujejo vzdolžne in prečne valove. Vir: Modified Pixabay.

Ko lomite valove na obali, prevladujejo vzdolžne komponente. Zato opazimo, da imajo alge blizu obale gibanje za nazaj in nazaj.

Primeri različnih vrst valov: potresna gibanja

Med potresi obstajajo različne vrste valov, ki se premikajo po svetu, vključno z vzdolžnimi valovi in ​​prečnimi valovi.

Vzdolžni potresni valovi se imenujejo p valovi, prečni pa so S valovi S.

Označevanje P je posledica dejstva, da so tlačni valovi in ​​so tudi primarni, ko pridejo najprej, medtem ko je prehod s "striženjem" ali pa tudi sekundarne, saj prispejo po P.

Značilnosti in lastnosti

Rumeni valovi na sliki 2 so periodični valovi, ki so sestavljeni iz enakih motenj, ki se premikajo od leve proti desni. Upoštevajte, da toliko do kot b Imajo enako vrednost v vsakem od valovnih regij.

Periodične motnje valov se ponavljajo tako v času kot v prostoru, pri čemer sprejema obliko sinusoidne krivulje, za katero je značilno, da imajo grebeni ali vrhovi, ki so najvišje točke, in doline, kjer so najnižje točke.

Ta primer bo služil za preučevanje najpomembnejših značilnosti mehanskih valov.

Amplituda valov in valovna dolžina

Ob predpostavki, da val na sliki. Ta vrstica bi sovpadala s položajem, v katerem je vrv v mirovanju.

Vam lahko služi: BTU (toplotna enota): enakovrednosti, uporabe, primeri

Vrednost se imenuje amplituda vala in se običajno zanika s črko A. Po drugi strani je razdalja med dvema dolinama ali dvema zaporednima grebenom valovna dolžina L in ustreza velikosti, imenovani velikosti b Na sliki 2.

Obdobje in frekvenca

Ker je ponavljajoč se pojav sčasoma, ima val obdobje t, ki je čas, ki je potreben za celoten cikel, medtem ko je frekvenca F inverzna ali vzajemna obdobja in ustreza številu ciklov, narejenih na enoto časa.

Frekvenca F ima kot enote v mednarodnem sistemu ob obratnem času: S^-1 ali Hertz, v čast Heinricha Hertza, ki je leta 1886 odkril radijske valove. 1 Hz se razlaga kot frekvenca, enakovredna ciklom ali vibraciji na sekundo.

Hitrost v vala povezuje frekvenco na dolžino vala:

v = λ.F = l/t

Kotna frekvenca

Drug uporaben koncept je kotna frekvenca ω, ki jo daje:

Ω = 2πf

Hitrost mehanskih valov je drugačna, odvisno od medija, v katerem se premikajo. Mehanski valovi imajo praviloma hitreje, ko potujejo skozi trdno snov in so počasnejši v plini, vključno z atmosfero.

Na splošno se hitrost številnih vrst mehanskega vala izračuna z naslednjim izrazom:

Na primer, za val, ki se širi vzdolž vrvi, hitrost daje:

Kjer je T napetost v vrvi in ​​μ, je linearna gostota mase, ki v mednarodnih sistemskih enotah prihaja v kg/m.

Napetost v vrvi se na to vrne v ravnotežni položaj, medtem ko masna gostota preprečuje, da bi se to takoj zgodilo.

Formule in enačbe

Naslednje enačbe so koristne pri reševanju vaj, ki sledijo:

Kotna frekvenca:

Ω = 2πf

Obdobje:

T = 1/f

Masna linearna gostota:

 Valovna hitrost:

v = λ.F

V = λ/t

V = λ/2π

Valovna hitrost, ki se širi na vrvi:

Rešeni primeri

Vaja 1

Sinusoidni val, prikazan na sliki 2, se premika v smeri pozitivne osi x in ima frekvenco 18.0 Hz. Znano je, da je 2a = 8.26 cm in b/2 = 5.20 cm. Najti:

a) amplituda.

b) valovna dolžina.

c) obdobje.

D) hitrost valov.

Rešitev

a) Amplituda je a = 8.26 cm/2 = 4.13 cm

b) valovna dolžina je l = b = 2 x20 cm = 10.4 cm.

c) T obdobje je inverzno frekvence, torej t = 1/18.0 Hz = 0.056 s.

d) hitrost valov je v = l.F = 10.4 cm . 18 Hz = 187.2 cm /s.

Vaja 2

Tanka 75 cm dolga žica ima maso 16.5 g. Eden od njegovih koncev je pritrjen na nohte, drugi pa vijak, ki vam omogoča prilagajanje napetosti v žici. Izračunati:

a) Hitrost tega vala.

b) napetost v Newtonu, potrebna za prečni val, katerega valovna dolžina je 3.33 cm Viber s hitrostjo 625 ciklov na sekundo.

Rešitev

a) Uporaba v = λ.F, velja za vsak mehanski val in nadomešča številčne vrednosti:

v = 3.33 cm x 625 ciklov/drugo = 2081.3 cm/s = 20.8 m/s

b) Hitrost valov, ki se širi skozi vrv, je:

Kjer je μ linearna gostota mase, ki jo daje:

T napetost v vrvi dobimo tako, da jo dvignemo na obeh straneh enakosti in čiščenja:

T = v².μ = 20.8² . 2.2 x 10^-6 N = 9.52 x 10^-4 N.

Zvok: vzdolžni val

Zvok je vzdolžni val, zelo enostaven za vizualizacijo. Za to je potreben samo eden Slinky, Prilagodljiv spiralni dok, s katerim je mogoče izvesti veliko poskusov za določitev oblike valov.

Lahko vam služi: vektorska odštevanje: grafična metoda, primeri, vaje

Vzdolžni val je sestavljen iz impulza, ki se stisne in širi medij izmenično. Stisnjeno območje se imenuje "stiskanje", območje, kjer je spiralna spirala bolj ločena, pa je "širitev" ali "redkost". Obe področji se premikata vzdolž drsne osne osi in sestavljata vzdolžni val.

Slika 5. Vzdolžni val, ki se širi po spiralnem pristanišču. Vir: Self Made.

Podobno kot del pristanišča se stisne, drugi pa se razteza, ko se energija premika ob valu, zvok stisne dele zraka, ki obdaja vir, ki oddaja motnjo. Zaradi tega se ne more razširiti v vakuumu.

Za vzdolžne valove so zgoraj opisani parametri enako veljavni za prečne periodične valove: amplituda, valovna dolžina, obdobje, frekvenca in hitrost vala.

Slika 5 prikazuje valovno dolžino vzdolžnega vala, ki potuje po spiralnem pristanišču.

V njem sta bili izbrani dve točki, ki se nahajata v središču dveh zaporednih stisk, da bi označili vrednost valovne dolžine.

Skladi so enakovredni grebeni in širitve so doline v prečnem valu, zato lahko zvočni val predstavlja tudi sinusoidni val.

Zvočne značilnosti: frekvenca in intenzivnost

Zvok je vrsta mehanskega vala z več zelo posebnimi lastnostmi, ki ga razlikujejo od primerov, ki smo jih do zdaj že videli. Nato bomo videli, kakšne so njegove najpomembnejše lastnosti.

Frekvenca

Pogostost zvoka dojema človeško uho kot akutni zvok (visoke frekvence) ali resne (nizke frekvence).

Slisno frekvenčno območje v človeškem ušesu je med 20 in 20.000 Hz. Nad 20.000 Hz so zvoki, imenovani ultrazvok in pod infrasoundom, neslišne frekvence za ljudi, vendar to psi in druge živali lahko zaznajo in uporabljajo.

Na primer, netopirji oddajajo ultrazvočne valove z nosom, da določijo njihovo lokacijo v temi in tudi kot komunikacija.

Te živali imajo senzorje, s katerimi prejemajo odsevne valove, in nekako razlagajo čas zamude med oddajanjem in odsevnim valom ter razlike v njihovi frekvenci in intenzivnosti. S temi podatki sklepajo o razdalji, ki so jo prehodili, in na ta način lahko vedo, kje so žuželke, in letijo med razpokami jam, ki jih naseljujejo.

Morski sesalci, kot sta kit in delfin. Ta sistem je znan kot eholokacija.

Intenzivnost

Intenzivnost zvočnega vala je opredeljena kot energija, ki se prevaža na enoto časa in na enoto območja. Energija na enoto časa je moč. Zato je intenzivnost zvoka moč na enoto območja in prihaja v vat/m² ali w/m². Človeško uho intenzivnost vala dojema kot glasnost: večjo glasbo ima glasba, bolj intenziven bo.

Ušesa zazna intenzivnost med 10^-12  in 1 w/m² Ne da bi čutili bolečino, vendar odnos med intenzivnostjo in zaznanim volumnom ni linearno. Za izdelavo zvoka z dvojno glasnostjo je potreben val z 10 -krat večjo intenzivnostjo.

Lahko vam služi: Pascal Tonel: kako deluje in eksperimentira

Raven intenzivnosti zvoka je relativna intenzivnost, ki se meri v logaritmičnem merilu, v kateri je enota lepa in najpogosteje decibel ali decibelij.

Stopnja intenzivnosti zvoka je označena kot β in jo v decibelih daje:

β = 10 log (i/i_tudi)

Kjer sem intenzivnost zvoka in jaz_tudi To je referenčna raven, ki se sprejme kot prag sluha v 1 x 10^-12 W/m².

Praktični poskusi za otroke

Otroci se lahko med zabavo veliko naučijo o mehanskih valovih. Tu je več preprostih poskusov, s katerimi lahko preverite, kako valovi prenašajo energijo, kar je mogoče izkoristiti.

-Eksperiment 1: Intercom

Materiali

- 2 plastični kozarci, katerih višina je veliko večja od premera.

- Med 5 in 10 metrov močne niti.

Izvajati v prakso

Izvrtajte osnovo posod, da prenašate nit skozi njih in jo pritrdite z vozelom na vsakem koncu, tako da nit ne bo izšla.

- Vsak igralec vzame kozarec in se oddalji po ravni črti in tako zagotovi, da je nit napeta.

- Eden od igralcev uporablja svoj kozarec kot mikrofon in govori s partnerjem, ki mu mora seveda spraviti kozarec v uho, da bo lahko poslušal. Ni treba kričati.

Poslušalec se bo takoj zavedal, da se zvok njegovega partnerjevega glasu prenaša skozi napeto nit. Če nit ni napeta, glasu njegovega prijatelja ne bo slišal jasno. Prav tako se ne bo slišalo ničesar, če je nit postavljena neposredno v uho, kozarec je potreben za poslušanje.

Pojasnilo

Za prejšnje razdelke vemo, da napetost v vrvi vpliva na hitrost vala. Prenos je odvisen tudi od materiala in premera posod. Ko partner govori, se energija njegovega glasu prenaša v zrak (vzdolžni val), od tam do dna kozarca in nato kot prečni val skozi nit.

Nit prenaša val na dno poslušalčevega stekla, ki vibrira. Ta vibracija se prenaša v zrak in jo zaznava ušesa in razlaga možgani.

-Eksperiment 2: Opazovanje valov

Izvajati v prakso

Ravna miza ali površina se razprostira a Slinky, Prilagodljiv spiralni dok, s katerim se lahko oblikujejo različne vrste valov.

Slika 6. Spiralna vzmet za igranje, znano kot Slinky. Vir: Pixabay.

Vzdolžni valovi

Konci so zadržani, po en v vsaki roki. Nato se na enem koncu nanese majhen vodoravni impulz in opazimo, kako se vzdolž vzmeti širi impulz.

Lahko postavite tudi enega od koncev Slinky popravljen za neko podporo ali prosite partnerja, naj ga zadrži, in ga dovolj raztegne. Na ta način je več časa za opazovanje, kako se stiske in širitve hitro širijo z enega konca pristanišča, kot je opisano v prejšnjih razdelkih.

Križni valovi

Slinky drži tudi eden od njegovih koncev, ki ga dovolj raztegne. Prosti konec se rahlo stresa, ki ga mešajo navzgor in navzdol. Opazimo, da se utrip sinusoida premika vzdolž pomladi in se vrne.

Reference

1. Giancoli, d. (2006). Fizika: načela z aplikacijami. Šesta izdaja. Dvorana Prentice. 308-336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Konceptualna fizikalna znanost. Peta izdaja. Pearson. 239 - 244.
3. Rex, a. (2011). Osnove fizike. Pearson. 263-273.