Mechaninės bangos: charakteristikos, savybės, formulės, tipai

Mechaninė banga yra trikdis, kuriam reikia fizinės terpės. Artimiausias pavyzdys yra garsas, kurį galima perduoti per dujas, skystį ar kietą medžiagą.

Kitos gerai žinomos mechaninės bangos yra tos, kurios atsiranda, kai paspausite įtemptą muzikos instrumento eilutę. Arba paprastai cirkuliarios trupės, kurias sukelia akmuo, išmestas į tvenkinį.

Virvės įtempimas yra linkęs jį grąžinti į pusiausvyros padėtį, o masės tankis neleidžia tai įvykdyti nedelsiant.

Formulės ir lygtys

Šios lygtys naudingos sprendžiant šiuos pratimus:

Kampinis dažnis:

ω = 2πf

Laikotarpis:

T = 1 / f

Tiesinis masės tankis:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Bangų, skleidžiančių eilutę, greitis:

Išsiaiškinti pavyzdžiai

1 pratimas

2 paveiksle parodyta sinusinė banga juda teigiamos x ašies kryptimi ir turi 18, 0 Hz dažnį, žinoma, kad 2a = 8, 26 cm ir b / 2 = 5, 20 cm. Rasti:

a) Amplitudė.

b) bangos ilgis.

c) laikotarpis.

d) bangos greitis.

Sprendimas

a) Amplitudė yra a = 8, 26 cm / 2 = 4, 13 cm

b) bangos ilgis yra l = b = 2 x 20 cm = 10, 4 cm.

c) laikotarpis T yra dažnio inversija, todėl T = 1 / 18, 0 Hz = 0, 056 s.

d) bangos greitis yra v = lf = 10, 4 cm. 18 Hz = 187, 2 cm / s.

2 pratimas

Plonas 75 cm ilgio vielos masė yra 16, 5 g. Vienas iš jo galų yra pritvirtintas prie nago, o kitas - varžtas, leidžiantis sureguliuoti vielos įtampą. Apskaičiuoti:

a) Šios bangos greitis.

b) reikalinga įtampa Niutone, kad skersinė banga, kurios bangos ilgis yra 3, 33 cm, vibruotų 625 ciklų per sekundę greičiu.

Sprendimas

a) Naudojant v = λ.f, galioja bet kokiai mechaninei bangai ir pakeičiant skaitines reikšmes, gauname:

v = 3, 33 cm x 625 ciklų per sekundę = 2081, 3 cm / s = 20, 8 m / s

b) Per eilutę plintančios bangos greitis yra:

Įtempimas T virvėje gaunamas pakeliant jį kvadratu abiejose lygybės pusėse ir kliringo:

T = v2.μ = 20, 82. 2, 2 x 10-6 N = 9, 52 x 10-4 N.

Garsas: išilginė banga

Garsas yra išilginė banga, kurią labai lengva vizualizuoti. Tam reikia tik lanksčios, lanksčios spiralinės spyruoklės, su kuria galima atlikti daug eksperimentų bangų formai nustatyti.

Išilginė banga susideda iš pulso, kuris pakreipia ir pailgina laikmeną. Suspausta zona vadinama „suspaudimu“, o zona, kurioje spyruoklės spiralės yra labiau atskirtos, yra „išsiplėtimas“ arba „retinimas“. Abi zonos juda išilginės ašinės ašies ir sudaro išilginę bangą.

Panašiai kaip ir viena spyruoklės dalis yra suspausta, o kita ištempiama, kai energija juda šalia bangos, garsas suspausto oro srautą, esančią aplink šaltinį, išskiriantį trikdžius. Dėl šios priežasties ji negali plisti vakuume.

Išilginėms bangoms taip pat galioja aukščiau aprašyti periodinių skersinių bangų parametrai: bangos amplitudė, bangos ilgis, periodas, dažnis ir greitis.

5 pav. Parodyta išilginės bangos, einančios palei ritės spyruoklę, bangos ilgis.

Jame buvo pasirinkti du punktai, esantys dviejų iš eilės suspaustų centrų centre, nurodant bangos ilgio vertę.

Kompresijos yra lygiavertės keteros ir išplėtimai yra slėnių skersinėje bangoje, todėl garso banga taip pat gali būti vaizduojama sinusine banga.

Garso charakteristikos: dažnumas ir intensyvumas

Garsas - tai mechaninių bangų tipas su keliomis labai ypatingomis savybėmis, kurios jį skiria nuo iki šiol matytų pavyzdžių. Tada pamatysime, kokios yra jos svarbiausios savybės.

Dažnis

Garso dažnis žmogaus ausies suvokiamas kaip didelis garsas (aukštas dažnis) arba mažas garsas (žemas dažnis).

Girdimojo dažnio diapazonas žmogaus ausyje yra nuo 20 iki 20 000 Hz, o virš 20 000 Hz yra garsai, vadinami ultragarsu ir žemiau infraraudonųjų spindulių, žmonių negirdimi dažniai, bet kurie šunys ir kiti gyvūnai gali suvokti ir naudoti.

Pavyzdžiui, šikšnosparniai skleidžia ultragarso bangas su nosimi, kad nustatytų jų vietą tamsoje ir taip pat komunikacijos būdu.

Šie gyvūnai turi jutiklius, su kuriais jie gauna atspindėtas bangas ir tam tikru būdu interpretuoja vėlavimo laiką tarp emituotos ir atspindimos bangos bei jų dažnio ir intensyvumo skirtumus. Su šiais duomenimis jie daro išvadą apie atstumą, kurį jie keliavo, ir tokiu būdu jie gali žinoti, kur yra vabzdžiai, ir skristi tarp jų gyvenamųjų urvų.

Jūrų žinduoliai, pavyzdžiui, banginiai ir delfinai, turi panašią sistemą: jie turi specializuotus organus, užpildytus riebalais ant galvos, su kuriais jie skleidžia garsus, ir atitinkamus jutiklius jų žandikauliuose, kurie aptinka atspindėtą garsą. Ši sistema vadinama echolokacija.

Intensyvumas

Garso bangos intensyvumas apibrėžiamas kaip energija, pervežama per laiko vienetą ir vieneto plotą. Energija per laiko vienetą yra galia. Todėl garso intensyvumas yra vieneto ploto galia ir yra watt / m2 arba W / m2. Žmogaus ausys suvokia bangos intensyvumą kaip tūrį: kuo daugiau muzikos, tuo intensyviau ji bus.

Ausys aptinka intensyvumą nuo 10-12 iki 1 W / m2, nesijaučia skausmu, tačiau intensyvumo ir suvokiamo tūrio santykis nėra linijinis. Norėdami sukurti garsą su dvigubu tūriu, reikalinga 10 kartų didesnė banga.

Garso intensyvumo lygis yra santykinis intensyvumas, matuojamas logaritminėje skalėje, kurioje vienetas yra bel ir dažniausiai decibelis arba decibelis.

Garso intensyvumo lygis žymimas β, o decibelais nurodomas:

β = 10 žurnalo (I / I _o )

Kur aš yra garso stiprumas ir I _arba yra atskaitos lygis, kuris laikomas klausos slenksčiu 1 x 10-12 W / m2.

Praktiniai eksperimentai vaikams

Vaikai gali daug sužinoti apie mechanines bangas ir smagiai praleisti laiką. Štai keletas paprastų eksperimentų, kuriais siekiama patikrinti, kaip bangos perduoda energiją, kurią galima panaudoti.

- 1-asis pavyzdys: vidinis ryšys

Medžiagos

- 2 plastikiniai puodeliai, kurių aukštis yra žymiai didesnis nei skersmuo.

- Nuo 5 iki 10 metrų stiprių siūlų.

Įgyvendinimas

Perverkite puodelių pagrindą, kad per juos tekėtų sriegis, ir pritvirtinkite jį mazgu kiekviename gale, kad sriegis neatsidurtų.

- Kiekvienas žaidėjas paima stiklą ir nuvažiuoja tiesia linija, užtikrindamas, kad siūlai būtų įtempti.

- Vienas iš žaidėjų naudoja savo stiklą kaip mikrofoną ir kalba su savo partneriu, kuris, žinoma, turi klausytis stiklo į ausį. Nereikia šaukti.

Klausytojas nedelsdamas pastebės, kad jo partnerio balso garsas perduodamas per įtemptą siūlą. Jei siūlai nėra įtempti, jūsų draugo balsas nebus girdimas aiškiai. Taip pat negirdėsite nieko, jei uždėsite siūlą tiesiai prie ausies, stiklą reikia klausytis.

Paaiškinimas

Iš ankstesnių skyrių žinome, kad įtampa eilutėje įtakoja bangos greitį. Perdavimas taip pat priklauso nuo medžiagos ir indų skersmens. Kai partneris kalba, jo balso energija perduodama į orą (išilginė banga), iš ten į stiklo dugną, o po to kaip skersinė banga per vielą.

Viela perduoda bangą į klausytojo stiklo apačią, kuri vibruoja. Ši vibracija yra perduodama į orą ir ją suvokia ausies būgnas ir interpretuoja smegenys.

- 2 pavyzdys: bangų stebėjimas

Įgyvendinimas

Ant stalo ar plokščio paviršiaus plečiasi lanksčia, lanksti spiralinė spyruoklė, su kuria gali susidaryti įvairių tipų bangos.

Išilginės bangos

Galai laikomi, po vieną kiekvienoje rankoje. Tada viename iš galų taikomas nedidelis horizontalus impulsas, ir stebimas pulsas palei palei spyruoklę.

Jūs taip pat galite įdėti vieną iš fiksuoto slinkto galų tam tikrą palaikymą arba paprašyti partnerio jį laikyti, pakankamai ištempdami. Tokiu būdu yra daugiau laiko stebėti, kaip suspausti ir išplėsti vienas kitą, sparčiai plinta iš vieno kranto galo į kitą, kaip aprašyta ankstesniuose skyriuose.

Skersinės bangos

Jis taip pat laikomas slinkiu pagal vieną iš jo galų, pakankamai ištempdamas. Laisvas galas šiek tiek pakratomas, pakratant jį aukštyn ir žemyn. Sinusoidinis pulsas pastebimas, kad juda palei pavasarį ir grįžta.