EN mekanisk bølge det er en forstyrrelse som trenger et fysisk medium for å spre seg. Det nærmeste eksemplet er lyd, i stand til å overføres gjennom en gass, en væske eller et fast stoff.
Andre kjente mekaniske bølger er de som produseres når den stramme strengen til et musikkinstrument blir plukket. Eller de typisk sirkulære krusninger forårsaket av en stein kastet i en dam.
Forstyrrelsen beveger seg gjennom mediet og produserer forskjellige forskyvninger i partiklene som komponerer det, avhengig av bølgetypen. Når bølgen passerer, gjør hver partikkel i mediet repetitive bevegelser som kort skiller den fra dens likevektsposisjon..
Varigheten av forstyrrelsen avhenger av energien. I bølgebevegelse forplantes energi fra den ene siden av mediet til den andre, siden vibrerende partikler aldri kommer for langt fra opprinnelsesstedet..
Bølgen og energien den bærer kan reise store avstander. Når bølgen forsvinner, er det fordi energien endte opp i midten og etterlot alt så rolig og stille som det var før forstyrrelsen..
Artikkelindeks
Mekaniske bølger er klassifisert i tre hovedgrupper:
- Tverrgående bølger.
- Langsgående bølger.
- Overflatebølger.
I skjærbølger beveger partiklene seg vinkelrett på forplantningsretningen. For eksempel svinger partiklene i strengen i følgende figur vertikalt mens bølgen beveger seg fra venstre til høyre:
I langsgående bølger er formeringsretningen og partikkelenes bevegelsesretning parallell.
I en havbølge kombineres langsgående bølger og tverrbølger på overflaten, derfor er de overflatebølger som beveger seg på grensen mellom to forskjellige medier: vann og luft, som vist i følgende figur.
Når du bryter bølger i fjæra, dominerer de langsgående komponentene. Av denne grunn observeres det at alger nær kysten har en frem og tilbake bevegelse..
Under jordskjelv produseres forskjellige typer bølger som beveger seg over kloden, inkludert langsgående bølger og tverrbølger..
Langsgående seismiske bølger kalles P-bølger, mens tverrgående er S-bølger..
Navnet P skyldes at de er trykkbølger, og de er også primære når de ankommer først, mens de tverrgående er S for "skjær" eller skjær og også er sekundære, siden de kommer etter P.
De gule bølgene i figur 2 er periodiske bølger, som består av identiske forstyrrelser som beveger seg fra venstre til høyre. Legg merke til at begge til Hva b har samme verdi i hver av bølgeregionene.
Forstyrrelsene i den periodiske bølgen gjentas både i tid og i rom, og tar form av en sinusformet kurve preget av å ha topper eller topper, som er de høyeste punktene, og daler hvor de laveste punktene er..
Dette eksemplet vil tjene til å studere de viktigste egenskapene til mekaniske bølger.
Forutsatt at bølgen i figur 2 representerer en vibrerende streng, fungerer den svarte linjen som referanse og deler bølgetoget i to symmetriske deler. Denne linjen vil falle sammen med posisjonen der tauet hviler.
Verdien av a kalles amplituden til bølgen og betegnes vanligvis med bokstaven A. For sin del er avstanden mellom to daler eller to påfølgende toppene bølgelengden l og tilsvarer størrelsen som kalles b i figur 2.
Å være et repeterende fenomen i tid, har bølgen en periode T som er tiden det tar å utføre en komplett syklus, mens frekvensen f er den inverse eller gjensidige av perioden og tilsvarer antall sykluser utført per enhet av tid.
Frekvensen f har som enheter i det internasjonale systemet tidens omvendte: s-1 eller Hertz, til ære for Heinrich Hertz, som oppdaget radiobølger i 1886. 1 Hz tolkes som frekvensen som tilsvarer en syklus eller vibrasjon per sekund.
Hastighet v Bølgeform relaterer frekvens til bølgelengde:
v = λ.f = l / T
Et annet nyttig konsept er vinkelfrekvensen ω gitt av:
ω = 2πf
Hastigheten til mekaniske bølger er forskjellig avhengig av mediet de beveger seg i. Som en generell regel har mekaniske bølger høyere hastighet når de beveger seg gjennom et fast stoff, og de er tregere i gasser, inkludert atmosfæren..
Generelt beregnes hastigheten til mange typer mekanisk bølge av følgende uttrykk:
For eksempel, for en bølge som beveger seg langs et akkord, blir hastigheten gitt av:
Spenningen i strengen har en tendens til å returnere strengen til sin likevektsposisjon, mens massetettheten forhindrer at dette skjer umiddelbart..
Følgende ligninger er nyttige for å løse øvelsene som følger:
Vinkelfrekvens:
ω = 2πf
Periode:
T = 1 / f
Lineær massetetthet:
v = λ.f
v = λ / T
v = λ / 2π
Hastigheten til bølgen som forplanter seg i en streng:
Sinusbølgen vist i figur 2 beveger seg i retning av den positive x-aksen og har en frekvens på 18,0 Hz. Det er kjent at 2a = 8,26 cm og b / 2 = 5,20 cm. Finne:
a) amplitude.
b) Bølgelengde.
c) Periode.
d) Bølgehastighet.
a) Amplituden er a = 8,26 cm / 2 = 4,13 cm
b) Bølgelengden er l = b = 2 x 20 cm = 10,4 cm.
c) Perioden T er omvendt av frekvensen, derfor er T = 1 / 18,0 Hz = 0,056 s.
d) Hastigheten på bølgen er v = l.f = 10,4 cm. 18 Hz = 187,2 cm / s.
En tynn wire 75 cm lang har en masse på 16,5 g. Den ene enden er festet til en spiker, mens den andre har en skrue som gjør at spenningen i ledningen kan justeres. Regne ut:
a) Hastigheten til denne bølgen.
b) Spenningen i newton som er nødvendig for en tverrbølge med en bølgelengde på 3,33 cm for å vibrere med en hastighet på 625 sykluser per sekund.
a) Ved å bruke v = λ.f, gyldig for mekanisk bølge og erstatte numeriske verdier, får vi:
v = 3,33 cm x 625 sykluser / sekund = 2081,3 cm / s = 20,8 m / s
b) Hastigheten til bølgen som forplanter seg gjennom en streng er:
Spenningen T i tauet oppnås ved å heve den i kvadrat til begge sider av likheten og løse:
T = vto.μ = 20,8to . 2,2 x 10-6 N = 9,52 x 10-4 N.
Lyd er en langsgående bølge, veldig enkel å visualisere. For dette trenger du bare en glatt, en fleksibel spiralfjær som mange eksperimenter kan utføres for å bestemme bølgeformen.
En langsgående bølge består av en puls som vekselvis komprimerer og utvider mediet. Det komprimerte området kalles "kompresjon" og området der fjærspolene er lengst fra hverandre er "utvidelse" eller "sjeldenhet". Begge sonene beveger seg langs den aksiale aksen til slinky og danner en langsgående bølge.
På samme måte som en del av våren komprimeres og den andre strekker seg når energien beveger seg sammen med bølgen, komprimerer lyden deler av luften som omgir kilden til forstyrrelsen. Av den grunn kan den ikke spre seg i vakuum.
For langsgående bølger er parameterne beskrevet ovenfor like gyldige for tverrgående periodiske bølger: amplitude, bølgelengde, periode, frekvens og hastighet på bølgen..
Figur 5 viser bølgelengden til en langsgående bølge som beveger seg langs en spiralfjær..
I den er to punkter plassert i midten av to påfølgende kompresjoner valgt for å indikere verdien av bølgelengden.
Kompresjonene tilsvarer toppene og utvidelsene tilsvarer dalene i en tverrbølge, derfor kan en lydbølge også representeres av en sinusbølge.
Lyd er en type mekanisk bølge med flere helt spesielle egenskaper, som skiller den fra eksemplene vi har sett så langt. Deretter vil vi se hvilke som er de mest relevante egenskapene.
Frekvensen av lyd oppfattes av det menneskelige øret som høy lyd (høy frekvens) eller bass (lav frekvens) lyd.
Det hørbare frekvensområdet i det menneskelige øret er mellom 20 og 20 000 Hz. Over 20 000 Hz er lydene som kalles ultralyd og under infralydet, frekvenser uhørlige for mennesker, men at hunder og andre dyr kan oppfatte og bruke.
For eksempel avgir flaggermus ultralydbølger med nesen for å bestemme plasseringen i mørket og også for kommunikasjon..
Disse dyrene har sensorer som de mottar de reflekterte bølgene med og tolker på en eller annen måte forsinkelsestiden mellom den utsendte bølgen og den reflekterte bølgen og forskjellene i frekvens og intensitet. Med disse dataene utleder de avstanden de har reist, og på denne måten er de i stand til å vite hvor insektene er og fly mellom spaltene i hulene de bor..
Havpattedyr som hval og delfin har et lignende system: de har spesialiserte organer fylt med fett i hodet, som de avgir lyder med, og de tilsvarende sensorene i kjevene som oppdager reflektert lyd. Dette systemet er kjent som ekkolokalisering.
Intensiteten til lydbølgen er definert som energien som transporteres per tidsenhet og per enhet. Energi per tidsenhet er kraft. Derfor er lydintensiteten effekten per arealenhet, og den kommer i watt / mto eller W / mto. Det menneskelige øret oppfatter intensiteten av bølgen som volum: jo høyere musikken, jo høyere vil den være.
Øret registrerer intensiteter mellom 10-12 og 1 W / mto uten å føle smerte, men forholdet mellom intensitet og opplevd volum er ikke lineært. For å produsere en lyd med dobbelt så mye volum kreves en bølge med 10 ganger mer intensitet.
Nivået på lydintensitet er en relativ intensitet som måles på en logaritmisk skala, der enheten er bel og oftere desibel eller desibel..
Lydintensitetsnivået er betegnet som β og er gitt i desibel av:
β = 10 log (I / Ieller)
Hvor jeg er lydens intensitet og jegeller er et referansenivå som blir tatt som hørselsterskelen i 1 x 10-12 W / mto.
Barn kan lære mye om mekaniske bølger mens de har det gøy. Her er noen enkle eksperimenter for å se hvordan bølger overfører energi, som kan utnyttes.
- To plastkopper med en høyde som er betydelig større enn diameteren.
- Mellom 5 og 10 meter sterk ledning.
Pierce glassbunnen for å føre tråden gjennom dem og fest den med en knute i hver ende, slik at tråden ikke glir.
- Hver spiller tar et glass og de går bort i en rett linje, og sørger for at tråden er stram.
- En av spillerne bruker glasset sitt som en mikrofon og snakker til partneren sin, som selvfølgelig må sette glasset på øret for å lytte. Ingen grunn til å rope.
Lytteren vil umiddelbart merke at lyden av partnerens stemme overføres gjennom den stramme tråden. Hvis tråden ikke er stram, vil ikke vennens stemme høres tydelig. Heller ikke vil du høre noe hvis du legger tråden direkte i øret, glasset er nødvendig for å lytte.
Vi vet fra forrige seksjoner at spenningen i strengen påvirker hastigheten på bølgen. Overføringen avhenger også av fartøyets materiale og diameter. Når partneren snakker, overføres energien til stemmen sin til luften (langsgående bølge), derfra til bunnen av glasset og deretter som en tverrbølge gjennom tråden.
Tråden overfører bølgen til bunnen av lytterens fartøy, som vibrerer. Denne vibrasjonen overføres til luften og oppfattes av trommehinnen og tolkes av hjernen..
På et bord eller en flat overflate a glatt, den fleksible spiralfjæren som forskjellige typer bølger kan dannes med.
Endene holdes, en i hver hånd. Deretter påføres en liten horisontal impuls på den ene enden, og det observeres hvordan en puls forplanter seg langs fjæren.
Du kan også plassere den ene enden av glatt festet til en støtte eller be en partner om å holde den, og strekke den nok. På denne måten er det mer tid til å observere hvordan kompresjonene og utvidelsene følger hverandre og fortplantes raskt fra den ene enden av våren til den andre, som beskrevet i forrige avsnitt..
Slinky holdes også i en av endene, og strekker det nok. Den frie enden får en liten risting ved å riste den opp og ned. Den sinusformede pulsen observeres for å bevege seg langs våren og komme tilbake.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.