механічні хвилі

Теми кодификатора ЄДІ: механічні хвилі, довжина хвилі, звук.

Механічні хвилі - це процес поширення в просторі коливань частинок пружного середовища (твердою, рідкому або газоподібному).

Наявність у середовища пружних властивостей є необхідною умовою поширення хвиль: деформація, що виникає в будь-якому місці, завдяки взаємодії сусідніх частинок послідовно передається від однієї точки середовища до іншої. Різним типам деформацій будуть відповідати різні типи хвиль.

Хвиля називається поздовжньої. якщо частки середовища коливаються паралельно напрямку поширення хвилі. Поздовжня хвиля складається з чергуються деформацій розтягування і стиснення. На рис. 1 показана поздовжня хвиля, яка представляє собою коливання плоских шарів середовища; напрямок, уздовж якого коливаються шари, збігається з напрямком поширення хвилі (т. е. перпендикулярно верствам).

Мал. 1. Поздовжня хвиля

Хвиля називається поперечної, якщо частинки середовища коливаються перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Поперечна хвиля викликається деформаціями зсуву одного шару середовища щодо іншого. На рис. 2 кожен шар коливається вздовж самого себе, а хвиля йде перпендикулярно верствам.

Мал. 2. Поперечна хвиля

Поздовжні хвилі можуть поширюватися в твердих тілах, рідинах і газах: у всіх цих середовищах виникає пружна реакція на стиск, в результаті якої з'являться біжать один за одним стиснення і розрідження середовища.

Однак рідини і гази, на відміну від твердих тіл, не володіють пружністю по відношенню до зсуву шарів. Тому поперечні хвилі можуть поширюватися в твердих тілах, але не всередині рідин і газів *.

Важливо відзначити, що частинки середовища при проходженні хвилі здійснюють коливання поблизу незмінних положень рівноваги, т. Е. В середньому залишаються на своїх місцях. Хвиля, таким чином, здійснює
перенесення енергії, що не супроводжується перенесенням речовини.

Найбільш прості для вивчення гармонійні хвилі. Вони викликаються зовнішнім впливом на середу, мінливих за гармонійним законом. При поширенні гармонійної хвилі частинки середовища здійснюють гармонійні коливання з частотою, рівній частоті зовнішнього впливу. Гармонійними хвилями ми надалі і обмежимося.

Розглянемо процес поширення хвилі більш докладно. Припустимо, що деяка частка середовища (частка) почала здійснювати коливання з періодом. Діючи на сусідню частку вона потягне її за собою. Частка в свою чергу, потягне за собою частку і т. Д. Так виникне хвиля, в якій всі частинки будуть здійснювати коливання з періодом.

Однак частинки мають масу, т. Е. Мають інертністю. На зміну їх швидкості потрібен якийсь час. Отже, частка в своєму русі буде трохи відставати від частки. частка буде відставати від частки і т. д. Коли частка нехай час завершився перший коливання і почнеться друга, своє перше коливання почне частка. що знаходиться від частки на деякій відстані.

Отже, за час, що дорівнює періоду коливань частинок, обурення середовища поширюється на відстань. Ця відстань називається довжиною хвилі. Коливання частки будуть ідентичні коливань частки коливання наступної частки будуть ідентичні коливань частинки і т. Д. Коливання як би відтворюють себе на відстані можна назвати просторовим періодом коливань; поряд з тимчасовим періодом вона є найважливішою характеристикою хвильового процесу. У поздовжньої хвилі довжина хвилі дорівнює відстані між сусідніми сжатиями або розрідження (рис. 1). У поперечної - відстані між сусідніми горбами або западинами (рис. 2). Взагалі, довжина хвилі дорівнює відстані (вздовж напрямку поширення хвилі) між двома найближчими частинками середовища, що коливаються однаково (т. Е. З різницею фаз, рівній).

Швидкістю поширення хвилі називається відношення довжини хвилі до періоду коливань частинок середовища:

Частотою хвилі називається частота коливань частинок:

Звідси отримуємо зв'язок швидкості хвилі, довжини хвилі і частоти:

На поверхні рідини можуть існувати хвилі особливого типу, схожі на поперечні - так звані поверхневі хвилі. Вони виникають під дією сили тяжіння і сили поверхневого натягу.

Звуковими хвилями в широкому сенсі називаються всякі хвилі, що поширюються в пружному середовищі. У вузькому сенсі звуком називають звукові хвилі в діапазоні частот від 16 Гц до 20 кГц, сприймаються людським вухом. Нижче цього діапазону лежить область інфразвуку. вище - область ультразвуку.

До основних характеристик звуку належать гучність і висота.
Гучність звуку визначається амплітудою коливань тиску в звуковій хвилі і вимірюється в спеціальних одиницях -децібелах (дБ). Так, гучність 0 дБ є порогом чутності, 10 дБ - цокання годинника, 50 дБ - звичайна розмова, 80 дБ - крик, 130 дБ - верхня межа чутності (так званий больовий поріг).

Тон - це звук, який видає тіло, що здійснює гармонійні коливання (наприклад, камертон або струна). Висота тону визначається частотою цих коливань: чим вище частота, тим вище нам здається звук. Так, натягуючи струну, ми збільшуємо частоту її коливань і, відповідно, висоту звуку.

Швидкість звуку в різних середовищах різна: чим більш пружною є середовище, тим швидше в неї поширюється звук. У рідинах швидкість звуку більше, ніж в газах, а в твердих тілах - більше, ніж в рідинах.
Наприклад, швидкість звуку в повітрі при дорівнює приблизно 340 м / с (її зручно запам'ятати як «третину кілометра в секунду») *. У воді звук поширюється зі швидкістю близько 1500 м / с, а в сталі - близько 5000 м / с.
Зауважимо, що частота звуку від даного джерела у всіх середовищах одна і та ж: частинки середовища здійснюють вимушені коливання з частотою джерела звуку. Відповідно до формули (1) укладаємо тоді, що при переході з одного середовища в іншу поряд зі швидкістю звуку змінюється довжина звукової хвилі.

Якщо хочеш знайти відстань до грозових хмар в кілометрах, порахуй, через скільки секунд після блискавки прийде грім, і роздягли отримане число на три.