MEHANSKI VALOVI: ZNAČILNOSTI, LASTNOSTI, FORMULE, VRSTE - FIZIČNO - 2026

Mehansko val je motnja, ki potrebuje fizični medij za propagirajo. Najbližji primer je zvok, ki se lahko prenaša skozi plin, tekočino ali trdno snov.

Drugi dobro znani mehanski valovi so tisti, ki nastanejo, ko napeta vrvica glasbila. Ali pa značilno krožne valovi, ki jih povzroči kamen, vržen v ribnik.

Slika 1. Napete strune glasbila vibrirajo s prečnimi valovi. Vir: Pixabay.

Motnja potuje skozi medij, ki proizvaja različne premike v delcih, ki ga sestavljajo, odvisno od vrste vala. Ko val vali, vsak delček v mediju naredi ponavljajoče se gibe, ki ga na kratko ločijo od ravnotežnega položaja.

Trajanje motnje je odvisno od njene energije. Pri gibanju valov je energija tisto, kar se širi z ene strani medija na drugo, saj vibrirajoči delci nikoli ne zaidejo predaleč od svojega izvora.

Val in energija, ki jo nosi, lahko prepotujeta velike razdalje. Ko val izgine, je to zato, ker se je njegova energija na sredini razšla, tako da je vse ostalo mirno in tiho, kot je bilo pred motnjo.

Vrste mehanskih valov

Mehanski valovi so razvrščeni v tri glavne glavne skupine:

- Prečni valovi.

- Vzdolžni valovi.

- Površinski valovi.

Prečni valovi

V strižnih valovih se delci premikajo pravokotno na smer širjenja. Na primer, delci niza na naslednji sliki nihajo navpično, medtem ko se val premika od leve proti desni:

Slika 2. Prečni val v vrvici. Smer širjenja valov in smer gibanja posameznega delca sta pravokotni. Vir: Sharon Bewick

Vzdolžni valovi

V vzdolžnih valovih sta smer širjenja in smer gibanja delcev vzporedni.

Slika 3. Vzdolžni val. Vir: Polpol

Površinski valovi

V morskem valu so vzdolžni in prečni valovi združeni na površini, torej so površinski valovi, ki potujejo na meji med dvema različnima medijem: vodo in zrakom, kot je prikazano na naslednji sliki.

Slika 4. Oceanski valovi, ki združujejo vzdolžne in prečne valove. Vir: spremenjeno iz Pixabaja.

Pri razbijanju valov na obali prevladujejo vzdolžne komponente. Zato opazimo, da imajo alge v bližini obale gibanje naprej in nazaj.

Primeri različnih vrst valov: potresna gibanja

Med potresi nastajajo različne vrste valov, ki potujejo po vsem svetu, vključno z vzdolžnimi valovi in ​​prečnimi valovi.

Vzdolžni potresni valovi se imenujejo P valovi, prečni pa S valovi.

Oznaka P je posledica dejstva, da so tlačni valovi in ​​so tudi prvi, ko pridejo prvi, medtem ko so prečni S za "striženje" ali striženje in so tudi sekundarni, saj prispejo po P.

Značilnosti in lastnosti

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

Motnje periodičnega vala se ponavljajo tako v času kot v prostoru, pri čemer imajo obliko sinusoidne krivulje, za katero so značilni vrhovi ali vrhovi, ki so najvišje točke, in doline, kjer so najnižje točke.

Ta primer bo služil za preučevanje najpomembnejših značilnosti mehanskih valov.

Amplituda in valovna dolžina

Če predpostavimo, da val na sliki 2 predstavlja vibrirajočo vrvico, črna črta služi kot referenca in deli valovni vlak na dva simetrična dela. Ta črta bi sovpadala s položajem, v katerem je vrv v mirovanju.

Vrednost a imenujemo amplituda vala in jo običajno označimo s črko A. Razdalja med dvema dolinama ali dvema zaporednima grebenoma je valovna dolžina l in ustreza velikosti, imenovani b na sliki 2.

Obdobje in pogostost

Kot pojav, ki se ponavlja v času, ima val obdobje T, ki je čas, potreben za dokončanje celotnega cikla, medtem ko je frekvenca f obratna ali vzajemna v obdobju in ustreza številu ciklov, opravljenih na enoto časa .

Frekvenca f ima v mednarodnem sistemu obratno čas: s ^-1 ali Hertz, v čast Heinricha Hertza, ki je odkril radijske valove leta 1886. 1 Hz se razlaga kot frekvenca, enakovredna enemu ciklu ali vibraciji na drugič.

Hitrost v vala je odvisna od frekvence na dolžino vala:

v = λ.f = l / T

Kotna frekvenca

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

ω = 2πf

Hitrost mehanskih valov je različna, odvisno od medija, v katerem potujejo. Praviloma imajo mehanski valovi večje hitrosti, ko potujejo skozi trdno snov, počasnejši pa so v plinih, vključno z atmosfero.

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

Na primer, za val, ki potuje po akordu, je hitrost dana z:

Napetost v vrvici teži k vrnitvi v ravnotežni položaj, medtem ko masna gostota preprečuje, da bi se to takoj zgodilo.

Formule in enačbe

Za reševanje naslednjih vaj so koristne naslednje enačbe:

Kotna frekvenca:

ω = 2πf

Obdobje:

T = 1 / f

Masna linearna gostota:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Hitrost širjenja vala v vrvici:

Primeri dela

Vaja 1

Sinusni val, prikazan na sliki 2, potuje 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 valovanja.

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) Obdobje T je obratno od frekvence, zato je T = 1 / 18,0 Hz = 0,056 s.

d) Hitrost vala je v = lf = 10,4 cm. 18 Hz = 187,2 cm / s.

Vaja 2

Tanka žica dolga 75 cm ima maso 16,5 g. Eden od njegovih koncev je pritrjen na žebelj, drugi pa ima vijak, ki omogoča prilagajanje napetosti v žici. Izračunaj:

a) Hitrost tega vala.

b) Napetost v newtonih, potrebna za prečni val, katerega valovna dolžina je 3,33 cm, da vibrira s hitrostjo 625 ciklov na sekundo.

Rešitev

a) Z uporabo v = λ.f, ki velja za kateri koli mehanski val in z nadomestnimi numeričnimi vrednostmi, dobimo:

v = 3,33 cm x 625 ciklov / sekunda = 2081,3 cm / s = 20,8 m / s

b) Hitrost širjenja vala skozi vrvico je:

Napetost T v vrvi dobimo tako, da jo dvignemo na obe strani enakosti in rešimo:

T = v ² .μ = 20,8 ² . 2,2 x 10 ^-6 N = 9,52 x 10 ^-4 N.

Zvok: vzdolžni val

Zvok je vzdolžni val, zelo enostaven za vizualizacijo. Vse, kar potrebujete, je drseča, prožna spiralna vzmet, s katero je mogoče izvesti številne poskuse za določitev oblike valov.

Vzdolžni val je sestavljen iz impulza, ki izmenično stisne in širi medij. Stisnjeno območje imenujemo "stiskanje", območje, kjer so vzmetne tuljave najbolj oddaljene, pa je "razširitev" ali "redkost". Obe coni se gibljeta vzdolž osne osi drseče in tvorita vzdolžni val.

Slika 5. Vzdolžni val, ki se širi vzdolž vijačne vzmeti. Vir: self made.

Tako kot se stisne en del vzmeti, drugi pa se razteza, ko se energija giblje skupaj z valom, zvok stisne dele zraka, ki obdajajo vir motnje. Zaradi tega se ne more širiti v vakuumu.

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

Na sliki 5 je prikazana valovna dolžina vzdolžnega vala, ki potuje po vzmetni tuljavi.

V njem sta bili izbrani dve točki, ki se nahajata v središču dveh zaporednih stiskanj, ki prikazujeta vrednost valovne dolžine.

Kompresije so ekvivalent vrhov in razširitve so ekvivalent dolin v prečnem valu, zato lahko zvočni val predstavlja tudi sinusni val.

Značilnosti zvoka: frekvenca in jakost

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

Frekvenca

Človeško uho frekvenco človeka zazna kot zvok visoke (visoke frekvence) ali nizke (nizke frekvence).

Zvočni frekvenčni razpon v človeškem ušesu je med 20 in 20.000 Hz. Nad 20.000 Hz so zvoki, imenovani ultrazvok in pod infrazvojem, frekvence, ki jih človek ne posluša, vendar jih psi in druge živali lahko zaznajo in uporabo.

Netopirji na primer iz nosa oddajajo ultrazvočne valove, da določijo svojo lokacijo v temi in tudi za komunikacijo.

Te živali imajo senzorje, s katerimi sprejemajo odbijene valove in nekako razlagajo čas zamude med oddajanim valom in odbijenim valom ter razlike v njihovi frekvenci in intenzivnosti. S temi podatki sklepajo na razdaljo, ki so jo prevozili, in na ta način lahko vedo, kje so žuželke, in da letijo med razkopi jam, ki jih naseljujejo.

Morski sesalci, kot sta kita in delfin, imajo podoben sistem: v glavah imajo specializirane organe, napolnjene z maščobo, s katerimi oddajajo zvoke, in ustrezne senzorje v čeljustih, ki zaznavajo odbiti zvok. Ta sistem je znan kot eholokacija.

Intenzivnost

Intenzivnost zvočnega vala je opredeljena kot energija, ki se prevaža na enoto časa in na enoto površine. Energija na enoto časa je moč. Intenzivnost zvoka je torej moč na enoto površine in je v vatih / m ² ali W / m ² . Človeško uho intenzivnost valovanja zazna kot glasnost: glasnejša je glasba, glasnejša bo.

Uho zazna intenzivnost med 10 ^-12 in 1 W / m ^2, ne da bi občutil bolečino, vendar razmerje med intenzivnostjo in zaznanim volumnom ni linearno. Za oddajanje zvoka z dvakratno glasnostjo je potreben val z 10-krat večjo intenzivnostjo.

Raven jakosti zvoka je relativna jakost, ki se meri na logaritmični lestvici, v kateri je enota pas in pogosteje decibel ali decibel.

Stopnja jakosti zvoka je označena kot β in je podana v decibelih s:

β = 10 log (I / I _o )

Če sem intenzivnost zvoka in je _o, je referenčna raven, ki se vzame kot prag sluha pri 1 x 10 ^-12 W / m ² .

Praktični poskusi za otroke

Otroci se lahko med zabavo naučijo veliko o mehanskih valovih. Tu je nekaj preprostih eksperimentov, da vidite, kako valovi prenašajo energijo, ki jo je mogoče izkoristiti.

-Eksperiment 1: Intercom

materiali

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

- Med 5 in 10 metri močne žice.

Izvedite v prakso

Prebodite osnovo kozarcev, da prenese nit skozi njih, in ga pritrdite s vozlom na vsakem koncu, da se nit ne odlepi.

- Vsak igralec vzame kozarec in odide po ravni liniji, pri čemer poskrbi, da nit ostane napeta.

- Eden od igralcev uporablja svoj kozarec kot mikrofon in govori s partnerjem, ki mu mora seveda prisloniti kozarec k ušesu, da ga posluša. Ni treba kričati.

Poslušalec bo takoj opazil, da se zvok partnerjevega glasu prenaša skozi napeto nit. Če nit ni napeta, glas vašega prijatelja ne bo slišati jasno. Prav tako ne boste slišali ničesar, če nit nataknete neposredno v uho, kozarec je potreben za poslušanje.

Pojasnilo

Iz prejšnjih razdelkov vemo, da napetost v vrvici vpliva na hitrost valovanja. 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.

Niti prenaša val na dno poslušalčeve posode, ki vibrira. Ta vibracija se prenaša v zrak in jo možgani zaznavajo po ušesih in jih razlagajo možgani.

-Eksperiment 2: Opazovanje valov

Izvedite v prakso

Drsna, fleksibilna spiralna vzmet, s katero se lahko oblikujejo različne vrste valov, leži na mizi ali ravni površini.

Slika 6. Vijačna vzmet za igranje, znana kot drseča. Vir: Pixabay.

Vzdolžni valovi

Konci so držani, po en v vsaki roki. Nato se na en konec nanese majhen vodoravni impulz in opazuje se impulz, ki se širi vzdolž vzmeti.

Lahko postavite tudi en konec drsečega pritrjenega na oporo ali prosite partnerja, da ga drži, ga dovolj raztegnete. Tako je več časa za opazovanje, kako stiski in raztezki sledijo drug drugemu in se hitro širijo z enega konca spomladi na drugega, kot je opisano v prejšnjih razdelkih.

Prečni valovi

Drsna se drži tudi na enem koncu, kar jo dovolj raztegne. Prosti konec se rahlo trese, tako da ga tresete navzgor in navzdol. Sinusoidni impulz opazimo, da potuje vzdolž pomladi in nazaj.

Reference

1. Giancoli, D. (2006). Fizika: Načela uporabe. 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.