Mechaniniai svyravimai ir bangos

TURINYS

Mechaniniai svyravimai …………………………3

Laisvieji svyravimai …………………………4

Slopinamieji svyravimai …………………………5

Priverstiniai svyravimai …………………………5

Rezonansas …………………………6

Autosvyravimai …………………………6

Harmoniniai svyravimai …………………………7

Matematinė svyruoklė …………………………7

Lygtys, aprašančios mechaninius svyravimus …………………………8

Mechaninės bangos …………………………9

Skersinės ir išilginės mechaninės bangos …………………………10

Koherentines bangos . Bangų interferencija …………………………11

Hiuigenso principas . Bangų atspindžio dėsnis . Bangų difrakcija ………………..12

Garso bangos …………………………13

Infragarsas . Ultragarsas …………………………13

Tono aukštis …………………………14

Akustinis rezonansas …………………………15

Visi gerai pažįstame savotiškus judesius , kurie vadinami virpesiais arba svyravimais . Mus supančiame pasaulyje jie paplitę . Svyruoja medžių šakos vėjyje , vienu galu įtvirtinta metalinė plokštelė , nuo vertikalės nukreiptos ssūpuoklės , judantys ant lingių vagonai ir t. t. Svyruoja , pavyzdžiui , prie svyruoklės prikabintas kūnas , kai jį pastumiame vertikalia kryptimi . Toks kūnas svyruoja ir pastumtas horizontaliai . Stumtelėję pasvarą ir po to jį paleidę , matysime , kad jis juda aukštyn ir žemyn arba kairėn ir dešinėn . Tai ir yra svyravimas . Svyravimu vadinamas toks judėjimas , kai kūnas pakaitomis nukrypsta tai į vieną , tai į kitą pusę . Pagrindinė tokio judėjimo savybė yra jjo periodiškumas . Judėjimo periodiškumas reiškia , kad po tam tikro laiko tarpo , kuris vadinamas svyravimo periodu , kūno padėtis , t. y. jo koordinatė , tiksliai arba apytiksliai pasikartoja .

Periodinis judėjimas – tai bet koks vienodais laiko tarpais ppasikartojantis judėjimas . Jo pavyzdžiai gali būti judėjimas apskritimu , svyruoklės svyravimas , molekulių virpesiai .

Svyravimas – periodinis judėjimas tarp dviejų kraštinių padėčių , pvz., spyruoklės judėjimas aukštyn ir žemyn . Svyruojančių sistemų kinetinė ir potencinė energija nuolat kinta . Jei nėra slopinimo , pilnutinė sistemos energija ( kinetinės ir potencinės energijos suma ) išlieka pastovi .

Mechaniniu svyravimu vadinamas periodiškai pasikartojantis materialiojo taško ( ar kūno ) judėjimas ta pačia trajektorija pakaitomis į priešingas puses pusiausvyros padėties atžvilgiu ( judėjimas , kuris tiksliai arba apytiksliai pasikartoja per vienodus laiko tarpus ) .

Visiems šiems judesiams būdingi bendri dėsningumai , kurie išreiškiami analogiškomis lygtimis ir išvadomis .

Mechaninio svyravimo pavyzdžiai :

1) ant spyruoklės pakabinto pasvaro judėjimas , kai jjis išvedamas iš pusiausvyros padėties ( spyruoklinė svyruoklė ) ;

2) ant ilgo , nesvaraus ir netąsaus siūlo pakabinto rutuliuko svyravimas vertikalioje plokštumoje , veikiant sunkio jėgai ( matematinė svyruoklė ) ;

3) skambančios stygos virpėjimas ;

4) membranos virpėjimas .

Pagrindinės sąlygos , kad vyktų svyravimai , yra šios :

1) kad kūnas pradėtų svyruoti , jo pradinė energija turi būti didesnė už energiją pusiausvyros padėtyje , t.y. kūną reikia išvesti iš pusiausvyros padėties ;

2) išvedus kūną iš pusiausvyros padėties , sistemoje turi atsirasti jėga , ggrąžinanti jį į pusiausvyros padėtį ( veikianti pusiausvyros padėties kryptimi ) ;

3) kad kūnas svyruotų ilgą laiką , svyravimo energija neturi mažėti .

Svyravimo metu dydžiai kinta į vieną ir į kitą pusę nuo tam tikrų vidurinių reikšmių , tačiau per daug nuo jų nenutolsta . Todėl , norint apibūdinti svyravimą , reikia pasirinkti skaičius , atitinkančius ne vieną momentą , o visą procesą . Svyravimui būdingas dydžių kitimas dviem priešingomis kryptimis . Todėl , pavyzdžiui , palydovo sukimosi apie planetą negalima laikyti svyravimu , nes jis juda viena kryptimi . Tačiau stebėtojas , esantis orbitos plokštumoje , matys ne sukimąsi , o palydovo poslinkį tai vienon , tai kiton pusėn , t. y. svyravimą . Apskritai bet kurio uždara kreive besisukančio taško projekcija tiesėje svyruoja .

Pagal kūną veikiančią jėgą svyravimas yra : laisvasis ( arba savasis ) , priverstinis , harmoninis , slopinamasis , autosvyravimas .

Svyravimas esti periodinis ir neperiodinis. Periodinio svyravimo sąlyga : f (t) = f (t+ n T ) , n = 1, 2, 3, .

Pagrindiniai periodinio svyravimo parametrai :

Svyravimo periodas T – trumpiausias laikas , per kurį kūnas atsiduria toje pačioje padėtyje t. y. atlieka vieną svyravimų ciklą . Jis yra išreiškiamas sekundėmis ;

Svyravimo dažnis vv – tai svyravimų skaičius per laiko vienetą ( sekundę ). Dažnio matavimo vienetu

laikomas dažnis tokių svyravimų , kurių metu per 1 s kūnas susvyruoja vieną kartą . Šis matavimo

vienetas vadinamas hercu ( Hz ) . 1 Hz = 1 s-1 . Ryšys tarp svyravimo periodo T ir dažnio v labai paprastas : dažnis yra atvirkštinis periodui dydis , periodas – atvirkštinis dažniui dydis :

Svyravimo amplitudė – svyruojančios dalelės didžiausias nuokrypis nuo pusiausvyros padėties . Amplitudė žymima A arba xm .

Svyravimo fazė φ – tai dydis , apibūdinantis kūno padėtį ir judėjimo kryptį tam tikru laiko momentu . Svyravimų fazė φ0 pradiniu laiko momentu t = 0 vadinama pradine faze .

Koordinatė – ji parodo , kur yra svyruojanti sistema tam tikru laiko momentu .

Kampinis dažnis ω – svyravimų skaičius per 2π sekundžių :

Laisvieji ( savieji ) svyravimai

Prie svyruoklės pritvirtintas arba ant siūlo pakabintas pasvaras svyruoja tartum savaime . Pakanka tik išjudinti pasvarą iš pusiausvyros padėties – truputį patraukti spyruoklinės svyruoklės pasvarą į šalį arba šiek tiek nukreipti nuo vertikaliosios padėties matematinę svyruoklę . Čia žodis „ savaime “ reiškia , kad svyruoti pasvarų neverčia jokios išorinės jėgos ; jie svyruoja veikiami tik vidinių , pačioje kkūnų sistemoje slypinčių jėgų : tamprumo jėgos bei siūlo tamprumo jėgos matematinėje svyruoklėje ( siūlinės svyruoklės kūnu sistemai priklauso ir Žemė , nes ji yra pasvarą veikiančios sunkio jėgos „šaltinis“ ) .

Galinčių laisvai svyruoti kūnų sistema vadinama svyravimų sistema .

Laisvųjų svyravimų dažnis vadinamas ir sistemos savųjų svyravimų dažniu .

Svyravimai , kuriuos sukelia kūnus veikiančios vidinės jėgos ( kurie vyksta savaime ) , vadinami laisvaisiais arba savaisiais .

Matematinės svyruoklės ir svyruoklinės spyruoklės svyravimai yra laisvieji . Ir ne tik jie . Tokie svyravimai paplitę gamtoje .

Sąlygos , kuriomis atsiranda laisvieji svyravimai :

1) kūną veikiančios jėgos arba nors viena jų turi priklausyti nuo koordinačių . Vienoje tam tikroje padėtyje , vadinamojoje pusiausvyros padėtimi , esantį kūną veikiančių jėgų atstojamoji turi būti lygi nuliui . Išvestą iš

Laisvieji rutuliuko ir pasvaro , prikabinto ant spyruoklės svyravimai .

A – svyravimų amplitudė .

2) pusiausvyros padėties kūną veikiančių jėgų atstojamoji turi būti nelygi nuliui ir nukreipta į pusiausvyros padėtį ;

3) sistemos trinties jėgos turi būti pakankamai mažos .

4) svyravimų sistemoje turi veikti viena į kitą panašios jėgos . Spyruoklinėje svyruoklėje – tamprumo jėga , kurios projekcija koordinačių ašyje proporcinga spyruoklės deformacijai , t. y. kūno poslinkiui . Ši jėga nukreipta į pusiausvyros padėtį .

Siūlinėje svyruoklėje – sunkio jėgos ir tamprumo jėgos atstojamoji , kurios projekcija irgi proporcinga kūno poslinkiui

toji jėga taip pat nukreipta į pusiausvyros padėtį .

5) trintis sistemoje turi būti ganėtinai maža , kitaip svyravimai bus greitai nuslopinti arba jų visai neatsiras .

Pastumdami nejudančią svyruoklę arba pakeldami į tam tikrą aukštį , suteikiame jai energijos : pirmuoju

atveju – kinetinės , antruoju – potencinės . Po to svyruojančio kūno kinetinė energija pakaitomis virsta potencine , ir atvirkščiai . Kai nėra trinties ,, pilnutinė mechaninė svyruoklės energija visą laiką lygi tai energijai , kuri jai suteikta pradžioje .

Pilnutinė svyruojančio kūno energija proporcinga svyravimo amplitudės kvadratui . Vadinasi , kai nėra trinties , pilnutinė mechaninė spyruoklės energija būna pastovi , taigi nesikeičia ir svyravimo amplitudė . Vadinasi , laisvieji svyravimai turi tęstis amžinai . Iš tikrųjų retkarčiais galima stebėti svyravimus , kurie trunka nepaprastai ilgai . Pavyzdžiui , ilga spyruoklė , patraukta į šalį nedideliu kampu , gali svyruoti daugelį valandų . Vis ddėl to laisvieji svyravimai neamžini . Kad ir kaip ilgai tęstųsi laisvieji svyravimai , jų amplitudė , kaip rodo patirtis , iš lėto mažėja , svyravimai , kaip sakoma , slopsta ir galų gale baigiasi .

Svyravimų slopimo priežastis ta ,, kad realiomis Žemės sąlygomis svyravimus , kaip ir visus kitus judesius , veikia trinties jėga . Ji nukreipta į priešingą judėjimui pusę , todėl atlieka neigiamą darbą . O kai darbas neigiamas , pilnutinė energija mažėja . Kartu mažėja ir amplitudė . Svyravimai , kurių amplitudė , laikui bėgant , mažėja vadinami slopinamaisiais svyravimais . Po kiekvieno naujo periodo amplitudė tampa vis mažesnė , ir juo didesnė trinties jėga , juo sparčiau amplitudė mažėja .

Slopinamųjų svyravimų negalima laikyti harmoniniais , nes harmoninių svyravimų amplitudė pastovi .

Priverstiniai svyravimai

Kad svyravimai nesloptų , kiekvieną svyravimo periodą reikia kompensuoti energijos nuostolius dėl trinties . Kompensuojant svyravimų sistemos energijos nuostolius gali išorinė periodiškai kintanti jėga . Atlikdama darbą , ji papildo sistemos energiją .. Šiuo atveju kūnų svyravimai jau ne laisvieji , o priverstiniai ; jėga , sukelianti tuos svyravimus , vadinama priverstine jėga .

Priverstinio svyravimo pavyzdys yra toks svyravimas : pasvaras sujungtas su spyruoklėmis . Vienos jų galą veikia periodiškai kintanti jėga . Kad nenusvirtų , pasvaras pritvirtinamas prie skridinio , riedančio kartele . Jėga periodiškai veikia pririšus spyruoklės galą prie strypo , įtvirtinto išcentrinės mašinos diske .

Sukant diską , siūlas veikia spyruoklės galą tam tikra jėga , kuri kinta disko ssukimosi dažniu v . Todėl ir pasvaras ima svyruoti tuo dažniu , o ne savųjų svyravimų dažniu . Priverstinė jėga „ primeta “ svyruojančiam kūnui savąjį dažnį .

Priverstiniai svyravimai vyksta priverstinės jėgos dažniu .

Priverstinio svyravimo amplitudė priklauso ne tik nuo priverstinės jėgos amplitudės F0 , bet ir nuo jos kitimo kampinio dažnio ω . Kuo mažesnis slopinimas , tuo didesnė amplitudė .

Rezonansas

Sistemos priverstinio svyravimo amplitudės padidėjimas iki didžiausios vertės , kai ω ≈ ω0 , vadinamas rezonansu . Tuomet sistema gauna daugiausia energijos . Rezonanso dažnis tuo mažesnis už sistemos savojo svyravimo kampinį dažnį , kuo didesnis slopinimas :

Ryškus kūno priverstinių svyravimų amplitudės padidėjimas , kai sistemą veikiančios jėgos kitimo dažnis sutampa su kūno laisvųjų svyravimų dažniu , vadinamas rezonansu .

Rezonanso metu išorinė jėga veikia į taktą su laisvaisiais svyravimais .

Kuo mažesnė trintis sistemoje , tuo didesnė svyravimų amplitudė :

čia Fm – išorinės jėgos amplitudė , μ – trinties koeficientas .

Kai išorinės jėgos kitimo dažnis ω sutampa su savuoju sistemos svyravimų dažniu ω0 , jėga per visą periodą veikia svyruojančio kūno greičio vektoriaus kryptimi , todėl atlieka teigiamą darbą , padidindama sistemos svyravimų amplitudę . Kai dažnis kitoks , per vieną periodo dalį išorinė jėga atlieka teigiamą darbą ,, padidindama sistemos energiją , per kitą – neigiamą darbą , sumažindama svyravimų sistemos energijos atsargą .

Kai pasiekiamas rezonansas , išorinė jėga , veikianti svyravimų sistemą , per visą periodą atlieka didžiausią teigiamą darbą . Todėl rezonanso atsiradimo sąlyga galima laikyti didžiausio energijos kiekio perdavimą svyravimų sistemai .

Kai nėra trinties , priverstinių svyravimų rezonansinė amplitudė laikui bėgant turi didėti neribotai . Paprastai sistemos svyravimų amplitudę , nusistovėjus rezonansui , apibūdina per visą periodą prarastos energijos ir per tą patį laiką išorinės jėgos atlikto darbo lygybė . Juo mažesnė trintis , juo didesnė rezonansinė amplitudė .

Rezonansas gali būti ir naudingas , ir žalingas . Naudingas tada , kad kai reikia jis padidina svyravimo amplitudę . Rezonanso reiškinys taikomas mechanikoje , radiotechnikoje , akustikoje , optikoje ir kitur .

Rezonansas yra žalingas tada , kai , pavyzdžiui , ant pamato stovi veikianti mašina , kurios tam tikros dalys periodiškai juda . Tie judesiai persiduoda pamatui , ir šis priverstinai svyruoja . Pamatas taip pat svyruoja savuoju dažniu . Ir kai jis sutampa su mašinos dalių svyravimų dažniu , pamato svyravimų amplitudė gali tiek padidėti , kad pamatas neatlaikys . Žinomi atvejai , kai sugriuvo tiltai , žygiuojant per juos kariniams daliniams ,, nes savasis tilto svyravimų dažnis sutapo su kareivių žingsnio dažniu . Dėl to kariniams daliniams per tiltus draudžiama žygiuoti koja kojon .

Siekiant išvengti pavojingų rezonanso padarinių , iš anksto apskaičiuojami mašinų , pamatų , transporto priemonių svyravimų dažniai , kad įprastinėmis jų eksploatacijos sąlygomis rezonansas nepasireikštų .

Rezonansas gali būti mašinų , pastatų , tiltų bei kitokių įrenginių suirimo priežastis , jeigu jų savasis svyravimų dažnis sutampa su periodiškai veikiančios jėgos dažniu . Todėl automobilių varikliai įrengiami ant specialių amortizatorių .

Dažnai rezonansą stebime kasdieniniame gyvenime . Pravažiuojant gatve pakrautam sunkvežimiui , subarba kambario langų stiklai . Vadinasi , savasis stiklų svyravimų dažnis lygus mašinos svyravimų dažniui . Apskritai kiekvienas barškesys dažniausiai susijęs su rezonansu .

Autosvyravimai

Autosvyravimais vadinami neslopinamieji svyravimai , galintys egzistuoti sistemoje , kurios neveikia jokios periodinės išorinės jėgos .

Bet kuri autosvyravimų sistema turi energijos šaltinį , kuris reguliuoja energijos tiekimą svyruojančiam kūnui ir kompensuoja trinties sukeltus energijos nuostolius .

Kitaip negu priverstinių svyravimų , autosvyravimų dažnį ir amplitudę lemia svyravimų sistemos savybės . Nuo laisvųjų svyravimų autosvyravimai skiriasi tuo , kad jų amplitudė nepriklauso nuo laiko ir nuo pirminio trumpalaikio poveikio , sukėlusio svyravimus .

Autosvyravimų sistema paprastai sudaryta iš trijų pagrindinių elementų :

1) svyravimų sistemos ;

2) energijos šaltinio ;

3) įrenginio su grįžtamuoju ryšiu , reguliuojančio energijos tiekimą svyravimų sistemai . Energija , gaunama iš šaltinio per vieną periodą , lygi energijai , kurios svyravimų sistema netenka per tą patį laiką .

Paprasčiausia mechaninė autosvyravimų sistema yra sieninis laikrodis su spyruokle . Laikrodžio svyravimų sistemą sudaro svyruoklė , energijos šaltinis – pakeltas nuo Žemės svarstis arba plieninė svyruoklė . Pagrindinės įrenginio , palaikančio grįžtamąjį ryšį , detalės yra reketas ( 1 ) ir ankeris ( 2 ) . Svarstis ( arba sspyruoklė ) suka reketą . Kiekvieną kartą , svyruoklei susvyravus , reketo krumplys pastumia ankerio šakutę ir verčia judėti svyruoklę ( 219 pav. ) . Dėl to trinčiai nugalėti suvartojamą energiją papildo pakelto nuo Žemės svarsčio arba prisukamos spyruoklės energija . Laikrodžio rodyklėms sukamąjį judėjimą reketas perduoda krumpliaračiais .

Autosvyravimų sistemų pavyzdžiai :

1) svyruokliniai laikrodžiai ;

2) spyruokliniai laikrodžiai ;

3) elektrinis skambutis ;

4) metronomas .

Harmoniniai svyravimai

Poslinkiui proporcingos ir prieš jį nukreiptos jėgos veikiamo kūno mechaniniai svyravimai vadinami harmoniniais svyravimais . Harmoninius svyravimus apibūdina lygtis <

x = xm cos (ωt + φ0 )

čia x – kūno nuokrypis nuo pusiausvyros padėties , ω – svyravimų kampinis dažnis , t – laikas .

Harmoninius svyravimus sukelia jėga , kuri proporcinga svyruojančio taško nuokrypiui nuo pusiausvyros padėties iir nukreipta šiam nuokrypiui priešinga kryptimi .

Tamprieji kūnai pradeda harmoningai svyruoti , nes pagal Huko dėsnį tamprumo jėga proporcinga nuokrypiui nuo pusiausvyros padėties . Būtent , kuo labiau ištempta svyruoklė , tuo didesnė jėga stengiasi ją suspausti . Iš to aišku , kaip galime gauti harmoninį svyravimą . Masės m svarelį prikabinkime prie svyruoklės . Ši , veikiama svarelio sunkio , išsitempia , ir svarelis užima tam tikrą pusiausvyros padėtį . Patemptas žemyn ir be pradinio greičio paleistas svarelis harmoningai svyruoja apie pusiausvyros padėtį . Apskritai šio svyravimo išraiška yra tokia : x = A cos ( ωt + α ) . Norėdami rasti A ir α reikšmes , turime atsižvelgti į pradines sąlygas , teigiančias , kad laiko momentu tt = 0 svarelis buvo nutolęs nuo pusiausvyros padėties atstumu x0 ir neturėjo pradinio greičio . Šioms sąlygoms tinka tik sprendinys , kurio A = x0 ir α = 0 , t. y. x = x0 cos ωt .

Kai pusiausviro svarelio netempiame , o pastumiame žemyn pradiniu greičiu v0 ir atvirkščiai proporcinga ω , t. y. Tai suprantama , nes kuo didesnis pradinis greitis , tuo didesnis ir svyravimo mostas . Antra vertus , kuo standesnė spyruoklė , tuo greičiau jji sustabdo besileidžiantį svarelį . Sunkus svarelis yra labai inertiškas , todėl , esant tam pačiam pradiniam greičiui , nuokrypis padidėja . Suprantama , tiriant buvo panaudota daug tiesiogiai nesuformuluotų prielaidų . Pavyzdžiui , manėme , kad visa spyruoklė yra tolygiai ištempiama , nekreipėme dėmesio į jos masę . Jeigu , tempdami svarelį žemyn , sulaikytume vietoje spyruoklės vidurį , tai gautume visai kitokį svyravimą .

Harmoninius svyravimus apibūdinantys dydžiai − poslinkis , greitis ar pagreitis – kinta pagal kosinuso ar sinuso dėsnį . Taip , pavyzdžiui , kinta prie svyruoklės pritvirtinto kūno koordinatė ( poslinkis ) x , kai jį veikia tik spyruoklės tamprumo jėga .

Pritaikę dviejų kampų sumos sinuso formulę , harmoninius svyravimus galime išreikšti taip :

x = R cos α cos ωt + R sin α sin ωt .

Trumpumo dėlei pažymėję R cos α = C1 , o R sin α = C2 , turime :

x = C1 cos ωt + C2 sin ωt .

Harmoninio svyravimo nusakymas skaičiais R ir α arba skaičiais C1 ir C2 analogiškas plokštumos taško nurodymui polinėmis arba Dekarto koordinatėmis . Dar daugiau , kiekvieną harmoninį svyravimą x = C1 cos ωt + C2 sin ωt galima apvaizduoti vektoriumi , nubrėžtu iš kkoordinačių pradžios į tašką M (C1 ; C2 ) . Šio vektoriaus ilgis lygus svyravimo amplitudei , o kampas tarp vektoriaus ir abscisių ašies – pradinei svyravimo fazei .

Matematinė svyruoklė

Tamprumo jėga harmoniniuose svyravimuose bet kuriame trajektorijos taške nukreipta į pusiausvyros padėtį . Bet ar galima tvirtinti , kad kūnas gali harmoniškai svyruoti tik tamprumo jėgos veikiamas ? Pasirodo , ne . Bet kuriame trajektorijos taške į pusiausvyros padėtį nukreipta kiekviena jėga , kurios modulis proporcingas poslinkiui , verčia kūną harmoniškai svyruoti .

Įdomus ir svarbus svyravimų , nesusijusių tik su tamprumo jėgos veikimu , pavyzdys yra svyruoklės judėjimas . Svyruoklė – tai kūnas , pakabintas ant siūlo , kurio kitas galas įtvirtintas . Svyruoklė , kurios

kūno ( pasvaro ) matmenys daug mažesni už siūlo ilgį , o siūlo masė labai maža , palyginti su pasvaro mase , vadinama matematine . Matematinė svyruoklė – tai materialusis taškas , kuris kabo ant nesvaraus ir netąsaus siūlo ir svyruoja vertikalioje plokštumoje .Tokios svyruoklės pavyzdžiu galėtų būti ir nedidelis švininis rutuliukas , pakabintas ant ilgo ir netąsaus siūlo . Kai siūlas yra vertikalus , svyruoklė nejuda . Tai pusiausvyros padėtis . Joje rutuliuką veikiančios sunkio ir siūlo tamprumo jėgos atsveria viena kitą .O ppatraukta į šalį ir paleista svyruoklė pradeda svyruoti . Atitraukus svyruoklę kampu a , jėga mg cos a suteikia rutuliukui įcentrinį pagreitį , o jėga , lygi mg sin a , suteikia jam liestinį pagreitį , nukreiptą pusiausvyros padėties link .

kai kampas a mažas , nepriklauso nei nuo amplitudės , nei nuo masės ( būtent todėl svyruoklė naudojama laikrodžiams reguliuoti ) . Jis proporcingas kvadratinei šakniai iš jos ilgio l ir atvirkščiai proporcingas kvadratinei šakniai iš laisvojo kritimo pagreičio g :

Jėga , verčianti svyruoklę svyruoti

Pusiausvirą pasvarą veikia jėga Fs ir tamprumo jėga Ftampr . Kadangi svyruoklė pusiausvira , tai šių jėgų moduliai vienodi , o kryptys priešingos . Bet štai svyruoklė patraukiama į šalį tam tikru kampu . Kaip ir anksčiau , pasvarą veikia tos pačios jėgos , bet dabar jų atstojamoji F nelygi nuliui . Kai svyruoklės nuokrypio kampas nedidelis , galima manyti , kad atstojamoji veikia lanko liestinės kryptimi , o pats lankas nedaug skiriasi nuo stygos , į kurios galus jis remiasi . Kaip tik ši atstojamoji F ir verčia pasvarą judėti pagreičiu , nukreiptu į pusiausvyros padėtį . Atstojamoji F = Fs + Ftampr arba jos projekcija lanko liestinėje Fiest = ( Fs)liest.

( Čia atsižvelkime į tai , kad tamprumo jėga statmena liestinei , todėl ( Ftampr)liest = 0 . )

Kaip ir tamprumo jėga , F proporcinga poslinkiui x ir nukreipta į priešingą jam pusę . Tai ir yra matematinės bei spyruoklinės svyruoklės judėjimo panašumo priežastis : vienodų priežasčių vienodos ir pasekmės .

Svarbus yra ir spyruoklinės bei matematinės spyruoklinės svyruoklių skirtumas . Iš formulių

periodas priklauso nuo pasvaro masės . Šią spyruoklinės svyruoklės savybę galima pritaikyti ir matuojant kūno mmasę . Įdomiausia , kad šitaip masę galima matuoti ir nesvarumo sąlygomis – juk tokios svyruoklės svyravimo periodas priklauso tik nuo pasvaro masės ir spyruoklės standumo . Prietaisas masei matuoti spyruokline svyruokle vadinamas masmetru . Kosminių skridimų metu tokiu prietaisu matuojama kosmonautų masė . Kaip žinia , paprastos svarstyklės tam netinka .

Svarbi svyruoklės taikymo sritis yra geologinė žvalgyba . Kadangi svyruoklės svyravimo periodas priklauso nuo laisvojo kritimo pagreičio g ir kadangi tose žemės vietose , kur slūgso uolienos , kkurių tankis skiriasi nuo vidutinio Žemės tankio , g vertė gali skirtis nuo jos vertės toje platumoje . Matuojant svyruokle g vertę , galima aptikti tokius telkinius .

Lygtys , aprašančios mechaninius svyravimus

Svyravimai , vykstantys veikiant jėgai F , kuri yyra proporcinga kūno poslinkiui x iš pusiausvyros padėties ir nukreipta link pusiausvyros padėties , vadinami harmoniniais svyravimais :

F = – kx ;

čia k − tamprumo koeficientas ( standumas ) .

Harmoninio svyravimo kinematinė lygtis :

x = A sin ( ωt + φ0 ) ;

čia x − kūno poslinkis laiko momentu t ; A − svyravimo amplitudė ; ωt + φ0 − svyravimo fazė ;

φ0 − pradinė fazė ω − kampinis dažnis .

čia m − svyruojančio kūno masė : k − svyruoklės standumas .

Harmoningai svyruojančio kūno momentinis greitis

čia Aω = vmax – greičio amplitudė .

Harmoningai svyruojančio kūno pagreitis laiko momentu t

čia = amax – pagreičio amplitudė .

Harmoninį svyravimą sukelianti jėga

F = ma = − mA sin ( ωωt + ) ;

čia m A = Fmax – jėgos amplitudė ; m – svyruojančio kūno masė .

Kadangi F = − kx , tai k = m .

Harmoningai svyruojančio kūno pilnutinė energija

W = mA2 / 2 .

Kai kūną veikia periodinė išorinė jėga , jo svyravimai yra ne laisvieji , o priverstiniai . Jeigu išorinės priverčiančios jėgos dažnis sutampa su kūno savųjų svyravimų dažniu , įvyksta rezonansas .

Kūnas gali atlikti vienu metu keleriopus svyravimus – tada svyravimai susideda . IIšnagrinėsime du konkrečius svyravimų sudėties atvejus .

1. Susideda du svyravimai , vykstantys išilgai vienos tiesės ta pačia kryptimi vienodais periodais , bet skirtingomis amplitudėmis ir pradinėmis fazėmis . Jeigu dedamųjų svyravimų lygtys

= sin ( ωt + ) , = sin (ωt + ) ,

tai atstojamojo svyravimo lygtis

x = + = A sin( ωt + ) ;

čia − atstojamojo svyravimo amplitudė ;

2. Susideda du tarpusavyje statmeni svyravimai , kurių periodai vienodi , o amplitudės ir pradinės fazės skirtingos . Atstojamojo svyravimo trajektorijos lygtis :

Tamprumo jėgos veikiamo kūno svyravimų lygtis (prie svyruoklės prikabinto pasvaro svyravimo lygtis):

arba

čia x – svyruojančio kūno koordinatė , k – spyruoklės standumas , m – svyruojančio kūno masė .

Svyruojančio kūno pagreitis tiesiog proporcingas koordinatei.

Šį pagreitį kūnui suteikia spyruoklės tamprumo jėga .

Mechaninės bangos

Kai banguoja nenupjautų rugių laukai vėjuotą dieną , atrodo , kad lauku kažkas slenka , bet kas – neaišku . Juk rugių stiebai stovi vietoje . Jie tik palinksta , atsitiesia , vėl palinksta ir t. t. Šis procesas yra banga .

Pripilkime į indą ir ant jo paviršiaus padėkime vieną , po to atsargiai kitą lengvą plūdę . Antroji plūdė nedaro jokio poveikio pirmajai . Galime laikyti , kad tarp jjų nėra sąveikos . O dabar pajudinkime vieną plūdę , kad ji pradėtų svyruoti . Matysime , kad ir antroji plūdė „ nelieka abejinga “ – po tam tikro laiko ir ji ima svyruoti . Dar pastebėsime , kad nuo pajudintos plūdės vandenyje sklinda ratilai . Šie ratilai taip pat vadinami bangomis .

Dar vienas pavyzdys . Vieną ilgos virvutės galą prie ko nors pritvirtinkime , o kitą priverskime svyruoti . Pamatysime , kad virvute kažkas „ bėga “. Tačiau abu galai lieka vietoje . Išilgai virvutės taip pat „ bėga “.

Tačiau abu galai lieka vietoje . Išilgai virvutės taip pat „ bėga “ banga ( ji ir vadinama „bėgančiąją banga“) .

Svyravimų sklidimas tampria terpe ( t. y. tokia terpe , kurios dalelės tarpusavyje glaudžiai susijusios ) vadinamas mechanine banga .

Visi esame stebėję banguojantį vandens paviršių . Maudydamiesi ar mėtydami į vandenį akmenukus , ne kartą priversdavome banguoti lygų ežero paviršių . Išsiaiškinkime , kaip atsiranda mechaninė banga ir kaip ji plinta .

Kietųjų kūnų , skysčių ir dujų dalelės veikia viena kitą . jei kurią nors dalelę ( ar jų grupę ) priversime svyruoti , tai ji dėl minėtos sąveikos išjudins gretimą dalelę , ši – tolimesnę ir taip svyravimas ppersiduoda tam tikru greičiu į visas puses . Taigi , plintant svyravimams , vienos svyruojančios terpės dalelės perduoda judėjimą , o kartu ir energiją , kitoms terpėms . Čia svarbu pabrėžti tai , kad pačios terpės dalelės nejuda kartu su skindančia banga jos tik svyruoja apie pusiausvyros padėtis . Vadinasi , kartu su mechanine banga jos sklidimo kryptimi perduodama energija , bet ne medžiaga . Energija bangai sudaryti ir sklisti gaunama iš svyravimus sukeliančio šaltinio . Bangoms sklindant , terpės dalelių svyravimų amplitudė tolydžiai mažėja – dalis mechaninės energijos virsta vidine energija .

Mechanines bangas apibūdinantys dydžiai :

Bangos ilgis λ – tai mažiausias atstumas tarp gretimų skersinės bangos iškylų ar įdubų bei tarp gretimų išilginės bangos sutankėjimų ar praretėjimų . Bangos ilgio matavimo vienetas – metras : [ λ ] = 1 m.

λ = vT .

Laikas , reikalingas bangai nusklisti atstumą , lygų jos ilgiui , vadinamas periodu . Jis žymimas T .

Bangos greitis v – tai gūburio arba įdubos slinkimo greitis skersinės bangos atveju ir sutankėjimo arba praretėjimo greitis išilginės bangos atveju .

v = λ v .

čia λ − bangos ilgis , v − svyravimų dažnis .

Čia pateiktos formulės tinka bet kokios

prigimties bangoms ( mechaninėms bei elektromagnetinėms ) .

Mechaninės bangos sklidimo greitis priklauso tik tampriosios terpės fizinių savybių ir sąlygų . Todėl ta pačia terpe mechaninės bangos sklinda vienodu greičiu nepriklausomai nuo svyravimo dažnio .

Bangai pereinant iš vienos aplinkos į kitą , dalelių svyravimo dažnis išlieka pastovus , bet pakinta sklindančios bangos ilgis proporcingas jos pagreičiui , t. y.

Mechaninės bangos gali būti skersinės ir išilginės .

Kai terpės dalelės svyruoja statmenai bangos sklidimo krypčiai , bangos vadinamos skersinėmis .

Pavyzdžiui ,, skersinė banga sklinda ilga virvute ar plona gumine žarnele kurių vienas galas įtvirtintas , o kitas galas staigiai pradedamas judinti aukštyn žemyn , t. y. priverčiamas svyruoti . Matysime , kad virvutės forma nuolat keisis – virvute bėgs skersinė mechaninė banga . Pastebėkime , kad mechaninei banga sklindant virvute į priekį , virvutė liks rankoje . Tai įrodo , kad virvute sklindanti mechaninė banga medžiagos neperneša ; plinta tik pačios terpės svyravimas .

Sklindant skersinei bangai , grandinė keičia savo fformą . Tai gerai parodo ir bandymas su virvute sklindančia banga . Taip virvutėje ir atsiranda iškylos ir įdubos ( Iškylos − taškai , kuriuose banga sukelia didžiausią teigiamą terpės nuokrypį . Įdubos − taškai , kuriuose banga sukelia didžiausią nneigiamą terpės nuokrypį ) .

Kad kiltų skersinė banga , tarp dalelių turi veikti tamprumo jėgos .

Skersinės bangos sklinda tik kietaisiais kūnais ir skysčių paviršiumi .

Kai terpės dalelės svyruoja išilgai bangos sklidimo krypties , bangos vadinamos išilginėmis .

Išilginių bangų susidarymą galima paaiškinti atliekant bandymą . Prie lazdelės siūlais pritvirtinkime rutuliukus , kurie tarpusavyje sujungti spyruoklėmis . Jei kraštinį rutuliuką patrauksime į šoną ir paleisime, jo svyravimai persiduos gretimiems rutuliukams ir vienose erdvės vietose rutuliukai susiglaus ( rutuliukų

sistema sutankės ) , kitose – prasiskirs ( rutuliukų sistema praretės ) . Tokie rutuliukų sutankėjimai ir praretėjimai kaitaliosis vieni su kitais , t. y. rutuliukų sistema sklis banga . Pastebėkime , kad kiekvienas rutuliukas svyruos tik apie savo pusiausvyros padėtį , o ppati banga sklis visa rutuliukų sistema .

Išilginės bangos sklinda bet kokiais kūnais ( kietaisiais , skysčiais , dujomis ) . Kietaisiais kūnais išilginės bangos sklinda greičiau negu skersinės .

Koherentinės bangos . Bangų interferencija

Iki šiol nagrinėjime vieną bangą , sklindančią iš ją sukeliančio svyravimų šaltinio . Dažnai aplinkoje vienu metu sklinda ne viena , bet kelios bangos . Pavyzdžiui , jei kambaryje kalbasi keletas žmonių , kelios garso bangos pereina viena į kitą . Stebėjimai rodo , kad sklindančios bangos nnetrukdo viena kitai . jos užplaukia viena ant kitos visiškai tarpusavyje nesąveikaudamos . Pasiekusios tuos pačius taškus , bangos susideda . Pavyzdžiui , jei dviragiu bangų sukėlikliu ( vibratoriumi ) sužadinsime vandens paviršiuje dvi bangas ( šios bangos sklinda iš dviejų skirtingų šaltinių ) , tai toje vietoje , kur susitinka dviejų bangų keteros ( iškilimai ) , vandens paviršius juda labiau . Ten , kur vienos bangos ketera ( iškilimas ) susitinka su įduba , vandens paviršius būna ramus . Taigi vandens paviršiuje susidarys tam tikri ruožai : vienuose bangavimas labai sustiprės , kituose – bangavimo visai nebus . Kiekviename aplinkos taške dviejų bangų svyravimai tiesiog susideda . Stebimas reiškinys vadinamas bangų interferencija .

Interferencinį vaizdą gauname tik tada , kai bangų šaltinių virpesių dažnis yra vienodas , o jų svyravimo fazių skirtumas yra pastovus ( laikui bėgant nekinta ) . Tokie šaltiniai vadinami koherentiniais , o jų sukeliamos bangos – koherentinėmis .

Taigi dviejų ar kelių koherentinių bangų sudėtis , kai kiekviename erdvės taške atstojamųjų svyravimų amplitudė laikui bėgant nekinta , vadinama interferencija .

Išsiaiškinkime , kodėl ir kokiomis sąlygomis vienuose vandens paviršiaus taškuose bangos palaiko ( stiprina ) viena kitą , o kituose – slopina ( silpnina ) . VVandens paviršiuje pasirinkime tašką , kurį dviejų šaltinių sukeltos bangos pasiekia vienu metu . Jei čia susitinka abiejų bangų iškylos , tai jos palaiko ( stiprina ) viena kitą ir tas vandens paviršiaus taškas ima svyruoti didesne amplitude . Sakoma , kad toje vietoje stebimas interferencijos maksimumas .

Jei tame taške susitinka vienos bangos įduba ir kitos iškyla , bangos viena kitą slopina ir tas vandens paviršiaus taškas ima svyruoti mažesne amplitude arba visiškai nustoja svyravę . Čia susidaro interferencijos minimumas .

Taigi koherentinės bangos vienuose vandens paviršiaus taškuose sustiprėja ( toje vietoje stebimas interferencijos maksimumas ) , kituose – susilpnėja ( tose vietose stebimas interferencijos minimumas ) .

Tai priklauso nuo bangų eigos skirtumo . Panagrinėkime šią priklausomybę išsamiau . Sakykime , turime du koherentinius bangų šaltinius A1 ir A2 . Šie šaltiniai sužadina terpėje ( pavyzdžiui , vandens paviršiuje ) dvi koherentines bangas . Pažymėkime raide d1 – atstumą nuo pirmosios bangos šaltinio iki nagrinėjamo taško M , d2 – atstumą nuo antrosios bangos šaltinio iki to paties terpės taško M . Skirtumas ∆d = d2 – d1 vadinamas bangų eigos skirtumu .

Aplinkos svyravimų tam tikrame taške ( nagrinėjamu atveju – taške M ) amplitudė yra didžiausia , kkai dviejų bangų , sukeliančių svyravimus šiame taške , eigos skirtumas ∆d lygus sveikam bangų ilgių λ skaičiui : ∆d = kλ ; čia k = 0, 1, 2, . , tai atstojamojo svyravimo amplitudė lygi dedamųjų svyravimų amplitudžių sumai ir pirmosios bangos iškylos sutampa su antrosios bangos iškylomis , o pirmosios įdubos sutampa su antrosios bangos įdubomis .

Aplinkos svyravimų tam tikrame taške ( nagrinėjamu atveju – taške M ) amplitudė yra mažiausia , kai dviejų bangų , sukeliančių svyravimus šiame taške , eigos skirtumas ∆d lygus nelyginiam λ / 2 skaičiui :

∆ d = ( 2 k + 1) čia k = 0, 1, 2, .

Ši lygybė išreiškia interferencijos minimumo sąlygą .

Kai bangų eigos skirtumas ∆d = ( 2k + 1 ) čia k = 0, 1, 2,. ,

tai atstojamojo svyravimo amplitudė lygi dedamųjų svyravimų amplitudžių skirtumui ir pirmosios bangos

iškylos sutampa su antrosios bangos įdubomis , o pirmosios bangos įdubos – su antrosios bangos iškylomis .

Dėl interferencijos bangų energija persiskirsto . Minimumų vietose atstojamosios bangos energija yra mažesnė už susidedančių bangų energijų sumą , o maksimumų vietose ji persveria susidedančių bangų energijų sumą tiek pat , kiek sumažėja energija minimumuose . Taigi , vykstant interferencijai

, visa bangų energija susikoncentruoja maksimumuose , o į minimumus visiškai nepatenka .

Hiuigenso principas . Bangų atspindžio dėsnis . Bangų difrakcija

Paviršius , kurio visi taškai svyruoja vienoda faze , vadinamas bangos paviršiumi , arba bangos frontu . Linija , statmena bangos paviršiui , vadinama spinduliu . Bangos sklinda spindulio kryptimi . Bangų sklidimo dėsningumus galima paaiškinti remiantis K. Hiuigenso principu , kuris teigia , kad kiekvienas aplinkos taškas , kurį pasiekia bangavimas , virsta antrinių bangų šaltiniu . Paviršius ,, gaubiantis visas antrines bangas , yra bangos paviršius sekančiu laiko momentu . Kiekvieną bangos paviršiaus tašką laikydami antrinių bangų šaltiniu ir žinodami bangos paviršiaus padėtį laiko momentu t, galime rasti jo padėtį sekančiu laiko momentu t + ∆ t . Vienalytėje terpėje nuo kiekvieno bangos paviršiaus taško sklinda antrinė sferinė banga . Visų šių antrinių sferinių bangų greitis vienodas ir lygus v , o pačios bangos per laiką ∆ t nusklinda vienodą atstumą ∆ s . Bangos paviršių ( aarba bangos frontą ) sekančiu laiko momentu t + ∆ t sudaro taškai , nutolę nuo pradinio bangos fronto atstumu , lygiu ∆ s = v •∆ t . Banga sklinda spindulio kryptimi .

Remiantis Hiuigenso principu buvo įrodytas bangų aatspindžio dėsnis , kuris teigia , kad :

1) krintantis spindulys , atsispindėjęs spindulys ir statmuo , iškeltas kritimo taške , yra vienoje plokštumoje ;

2) bangų atspindžio kampas lygus kritimo kampui : α = β .

Remiantis Hiuigensu principu , galima paaiškinti ir bangų difrakcijos reiškinį .

Bangų difrakcija vadiname einančių pro kliūčių kraštą bangų nukrypimas nuo tiesaus kelio , užlinkimas už kliūties .

Bangų difrakcijos reiškinį galime stebėti naudodami bangų vonelę . Jeigu bangų kelyje pastatysime ekraną su plyšiu , kurio matmenys mažesni už bangos ilgį , tai už ekrano ( už kliūties ) sklis apskritiminė banga taip , jog atrodys , kad ekrano plyšyje yra išsidėstęs taškinis bangų šaltinis . Vadinasi , iš bangų šaltinio ( bangų sukėlėjo ) sklindanti banga , praėjusi ppro plyšio kraštus ( kliūties kraštus ) , užlinksta už jų , nukrypsta nuo tiesaus kelio .

Remiantis Hiuigenso principu , siaurame plyšyje antriniai bangų šaltiniai išsidėsto taip arti vienas kito , kad juos galima laikyti vienu taškiniu bangų šaltiniu . Taigi maža anga yra tarsi taškinis bangų šaltinis , nuo kurio bangos , jau sferinės , sklinda į visas puses .

Kai ekrane esančio plyšio matmenys ( kliūties matmenys ) yra didesni už krintančios bangos ilgį , tai bangos ppaviršius išlinksta tiktai prie kliūties kraštų , t. y. bangų difrakcija yra nedidelė arba jos beveik nepastebime .

Šiuo atveju bangų difrakciją vėl galime paaiškinti remdamiesi Hiuigenso principu : bangos , kurias skleidžia plyšyje išsidėstę antrinių bangų šaltiniai , užlinksta ( nors ir nežymiai ) už kliūties kraštų ( žr. paveikslą ) .

1815 m. prancūzų fizikos Ogiustenas Frenkelis papildė Hiuigenso principą . Remiantis Hiuigenso principu , antrinių bangų šaltiniai yra koherentiniai ir todėl jie skleidžia koherentines bangas , kurios interferuoja tarpusavyje . Taigi bangų paviršius bet kuriuo laiko momentu yra ne antrinių bangų gaubtinė , o jų interferencijos rezultatas .

Garso bangos

Fizikos skyrius , nagrinėjantis garso reiškinius , vadinamas akustika .

Garso bangas sukelia virpantys ( greitai svyruojantys ) kūnai . Tuo galima įsitikinti atliekant paprastą bandymą .

Metalinę liniuotę padėkime ant stalo taip , kad vienas jos galas būtų išsikišęs už stalo paviršiaus . Ant stalo esantį liniuotės galą prispauskime ranka , o išsikišusį – pakelkime į viršų ir paleiskime . Liniuotė pradės svyruoti , ir mes išgirsime garsą . Keisdami išsikišusios liniuotės dalies ilgį , galime išgauti įvairius garsus . Išsiaiškinsime , kas vyksta aplinkoje ( ore ) , kurioje svyruoja liniuotė . Virpėdama liniuotė tai suspaudžia , tai išretina greta eesantį orą , o išretėjimo ar sutankėjimo sklidimas yra ne kas kita , kaip išilginė garso banga , kuri nuo garso šaltinio ( svyruojančios liniuotės ) sklinda į visas puses . Virpantis oras ( t. y. garso banga ) , pasiekęs žmogaus ausį , veikia klausos organą ir žmogus girdi garsą .

Garsas gali sklisti ne tik oru , bet ir skysčiais bei kietaisiais kūnais . Tuo tarpu beorėje erdvėje ( vakuume ) jis nesklinda . Garso banga yra terpės ( dujų , skysčių , kietųjų kūnų ) svyravimų ( virpesių ) sklidimas .

Įvairiose terpėse garsas sklinda skirtingu greičiu . Vandeniu garsas sklinda greičiau negu oru ( dujomis ). Kietaisiais kūnais garsas sklinda dar greičiau negu oru ( dujomis ) ar skysčiais . Pavyzdžiui , garso greitis 15ْ C temperatūros ore yra 340 m/s , 20 ْ C temperatūros vandenyje – 1483 m/s , 20 ْ C temperatūros geležyje – 5850 m/s .Garso greitis taip pat priklauso nuo terpės , kuria jis sklinda , temperatūros: kuo ji aukštesnė , tuo didesnis greitis .

Lentelėje pateikiama garso greičio vertės , kai oro temperatūra įvairi :

Oro temperatūra , ْ C Garso greitis , m/s

– 150

0

18

100

1000 216,7

331,5

342,4

387,1

715,2

Skirtingo dažnio garso bangos ore plinta vienodu greičiu . Dėl šios garso savybės , sėdėdami įvairiose koncertų salės vietose , tuo pačiu metu girdime visų instrumentų skleidžiamus garsus .

Garso bangoms būdingas atspindys , t. y. garso banga , pasiekusi dviejų terpių ( pavyzdžiui , oro ir kietojo kūno ) sandūrą , atsispindi nuo antrosios terpės ir tik iš dalies pereina į tą pusę bei sklinda toliau . Garso atspindys taikomas konstruojant įvairius garso stiprinamuosius įtaisus , vadinamus garsintuvais . Jie sukuria kryptingą garso bangų pluoštą .

Jeigu šaltinio skleidžiama garso banga krinta į paviršių statmenai , tai atsispindėjusi grįžta atgal į šaltinį . Toks nuo kliūties ( kalno , pastato , sienos , miško ir kt. ) atsispindėjęs garsas vadinamas aidu .

Garso , kaip vandens , bangoms būdinga difrakcija , taigi jos gali aplenkti kliūtis . Pavyzdžiui , girdime iš už namo kampo sklindantį automobilio signalą arba kitoje namo pusėje esančiame kieme žaidžiančių vaikų klegesį , nors nei automobilio , nei vaikų nematome .

Žmogaus ausis kaip garsą suvokia svyravimus , kurių dažnis yra nuo 16 – 20 Hz iki 20000 Hz . Mažesnio negu 16 – 20 Hz dažnio garsas vadinamas infragarsu , o didesnio negu 20000 Hz dažnio garsas

vadinamas ultragarsu .

Žmogus geriausiai girdi garsus , kurių dažnis 500 – 2000 Hz . Tokio dažnio garsais ir susikalbame .

Infragarso bangos labai ilgos . Pavyzdžiui , 16 Hz dažnio infragarso bangos ilgis 18 ْ C temperatūroje ore lygus maždaug 21 metrui . Infragarsą sukelia vėjas , perkūnija , jūros bangos , sprogimai , šūviai , žemės drebėjimai , įvairūs vibruojantys varikliai . Žmogus šio garso negirdi . Daugeliu atvejų infragarso įtaka žmogui ir gyviesiems organizmams yra neigiama . Dažniausiai ddėl infragarso žmogus pradeda jausti nerimą .

Gyvūnai infragarsą junta geriau nei žmonės . Pavyzdžiui , prieš žemės drebėjimą , prasidedantį žemo dažnio svyravimais , gyvūnai tampa neramūs .

Ultragarso bangos yra labai trumpos . Dėl mažo bangos ilgio ultragarsas gali sklisti siaurais pluoštais ir atsispindėti nuo mažų matmenų kliūčių . Dujos gerai sugeria ultragarso bangas , todėl dujose ultragarsas toli nenusklinda .

Skysčiais ir kietaisiais kūnais ultragarso bangos gali nusklisti labai toli . Dėl šios savybės minėtos bangos plačiai taikomos įvairiuose prietaisuose :: echolotuose , ultragarsiniuose lokatoriuose ir defektoskopuose .

• Echolotais matuojamas jūrų gylis . Šiuo prietaisu pasiunčiamas didelio dažnio ( 20 – 60 kHz ) ultragarso signalas ir priimamas jo aidas . Pagal ultragarso sklidimo pirmyn ir atgal laiką bei garso greitį vvandenyje nustatomas jūros gylis h .

• Ultragarsiniais hidro lokatoriais sekami povandeniniai laivai , nustatoma priešinga kryptimi plaukiančių laivų vieta naktį ar ūkanotą dieną , ieškoma jūros žuvų telkinių , ledkalnių , karo metu – minų ir t.t.

• Ultragarsinių lokatorių veikimas yra pagrįstas ultragarso bangų atspindžio nuo kliūties . Ultragarsinius lokatorius turi kai kurie gyvūnai , pavyzdžiui , šikšnosparniai , delfinai , tam tikrų rūšių banginiai . Pavyzdžiui , šikšnosparniai siunčia ultragarso bangas labai trumpais impulsais ( iki 250 impulsų per sekundę ) , kurie sklinda iki 10 – 15 metrų . Atsispindėję nuo kliūčių , šie impulsai grįžta atgal . Pagal juos šikšnosparniai puikiai orientuojasi naktį , ieško maistui vabzdžių .

• Ultragarsiniais defektoskopais gaminio paviršiuje ar viduje ieškoma defektų , kurių neįmanoma aaptikti Rentgeno ar gama spinduliais : plyšių , oro tarpų .

• Ultragarsinėmis staklėmis apdirbamos labai kietos ( deimantas , plienas ) arba trapios ( keramika , stiklas ) medžiagos .

• Ultragarsu galima lituoti , virinti , valyti įvairius paviršius .

• Ultragarsas plačiai taikomas medicinoje ligoms diagnozuoti , vėžiui , įvairiems uždegimams gydyti , lūžusiems kaulams sujungti ir kt.

• Ultragarsu gali būti sterilizuojami maisto produktai .

• Ultragarsas naudojamas kaip sėklų dygimo , augalų augimo ir brendimo stimuliatorius .

Grynas garsas , t. y. garsas , atitinkantis kurio nnors vieno dažnio virpesius ( svyravimus ) , vadinamas muzikiniu garsu , arba tonu . Kitaip sakant , tonas yra harmoningai svyruojančio kūno sukeliamas garsas.

Gryną garsą ( muzikinį garsą ) galima išgauti specialiu prietaisu , vadinamu kamertonu . Jį sudaro plieninė šakutė , įtvirtinta medinėje dėžutėje . Per šią šakutę sudavus plaktukėliu , ji ima virpėti ir sukelia garso bangą . Žmogus girdi muzikinį garsą .

Tono aukščiu vadinamas garso požymis , kurį lemia virpesių dažnis . Aukštesnių tonų virpesių dažnis didesnis negu žemesnių . Įvairių muzikos instrumentų skleidžiami to paties dažnio muzikiniai garsai ( tonai ) būna skirtingi : vienoks – pianino , kitoks – gitaros , dar kitoks – smuiko . Muzikos instrumento skleidžiamas garso arba žmogaus balso būdingas atspalvis vadinamas tembru . Jį sąlygoja pagrindinį toną papildantys aukštesni tonai , kurie vadinami virštoniais . Virštoniai yra silpnesni už pagrindinį toną , o jų dažnis 2, 3, 4, . kartų didesnis . Kuo daugiau virštonių , tuo turtingesnis balso tembras .

Garso banga , kaip ir kitos bangos , perneša energiją . Ją apibūdina garso stipris . Garso stipris yra dydis ( žymimas raide I ) , lygus energijos kiekiui , kurį garso banga per vienetinį laiką perneša ppro vienetinį plotą , statmeną bangos sklidimo krypčiai . Garso bangų stipris matuojamas vatais kvadratiniam metrui :

Garso stipris priklauso nuo virpesių amplitudės .

Žmogaus ausis jautri garsams , kurių stiprio sritis yra labai plati

Jei žmogus turi gerą klausą , tai jis girdi garsus , kurių stipris siekia vos 10-12 W / m2 . Šį garso stiprį atitinka garsai , kurių dažnis lygus 1000 Hz . Garso stipris , lygus 10-12 W / m2 , vadinamas girdos slenksčiu . Kai garso stipris padidėja iki 10 W / m2 , žmogus junta skausmą ausyse . Toks garso stipris vadinamas skausmo slenksčiu .

Klausos organais suvokiamo garso pojūtis apibūdinamas garsumu . Garsumo matavimo vienetas vadinamas belu ( sutrumpintai žymimas B ) . Praktikoje dažniau vadinamas dešimt kartų mažesnis vienetas – decibelas : 1 dB = 0,1 B .

Garso stipris ir garsumas yra susiję dydžiai .

Garso stiprio ir garsumo priklausomybė nėra tiesinė . Garsumas mažėja lėčiau negu garso stipris . garso stipris didėja pagal geometrinę progresiją , o žmogaus suvokiamas garsumas – tik pagal aritmetinę progresiją . Garso stiprio ir garsumo atitiktis , kai garso dažnis lygus 1000 Hz , pateikta lentelėje :

Garsas

Garso stipris , W / m2

Garsumas , dB

Girdos slenkstis 10-12 0

Kvėpavimo garsas 10-11 10

Kišeninio laikrodžio tiksėjimas 10-10 20

Lapų čežėjimas 10-9 30

Šnabždesys 10-8 40

Įprasta kalba 10-7 50

Vidutinio garsumo kalba 10-6 60

Garsi kalba 10-5 70

Gatvės triukšmas 10-4 80

Gamybos cecho triukšmas 10-3 90

Diskotekos triukšmas 10-2 100

Pneumatinio kūjo triukšmas 10-1 110

Roko muzika 1 120

Reaktyvinis variklis . Skausmo slenkstis 10 130

Sudarant garsumo skalę , buvo padaryta prielaida , kad , garso stipriui padidėjus dešimt kartų , garsumas padidėja 10 dB . Garso stiprio intervalą nuo girdos iki skausmo slenksčio atitiko 0 – 130 dB garsumo intervalas .

Triukšmais vadiname sudėtingus , netvarkingai kintančius įvairaus dydžio garsus , kurių beveik neįmanoma išskirti pavienių tonų . Triukšmą sudaro įvairių amplitudžių ir įvairaus dažnio virpesiai .

Pavyzdžiui , triukšmais galime vadinti gatve važiuojančių automobilių ūžesį , gamyklos ceche dirbančių mašinų bildesį ir t. t.

Stiprus ilgalaikis triukšmas kenkia žmonių sveikatai , mažina jų darbingumą .

Garso bangos , susidūrusios su bet kuriuo kūnu , priverčia jį svyruoti . Jei to kūno savųjų svyravimų dažnis sutampa su garso bangos dažniu , tai priverstinių kūno svyravimų amplitudė padidėja . Šis reiškinys vadinamas akustiniu rezonansu .

Naudota literatūra :

1. Stanislovas Masnikovas Tatjana Oksanova

VADOVAS FIZIKAI KARTOTI

Vilnius „ Mokslas “ 1987 m.

2. A. Kikoinas ,

S. Šamašas , E. Evenčik

MECHANINIAI SVYRAVIMAI IR BANGOS . Fizikos vadovėlio IX klasei priedas

Kaunas „ Šviesa “ 1987

3. N. Vilenkinas

FUNKCIJOS GAMTOJE IR TECHNIKOJE

Kaunas „ Šviesa “ 1982

4. V. Ambrasas

FIZIKOS PAGRINDAI

Kaunas „ Šviesa “ 1990

5. O. Karbaninas

FIZIKA . Informacinė medžiaga

Kaunas „ Šviesa “ 1988

6.Ch. Oxlade

ILIUSTRUOTAS FIZIKOS ŽINYNAS

Kaunas „ Šviesa “ 1997

7. V. Mockus

FIZIKOS ŽINYNAS MOKSLEIVIAMS

Šiauliai „ V. Mockaus įmonė “ 2002