background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

FALE MECHANICZNE 

 
 
 

Falami  nazywamy  rozprzestrzeniające  się  w  ośrodku  materialnym  lub  polu 

zaburzenia  pewnej  wielkości  fizycznej  charakteryzującej  stan  tego  ośrodka 
lub pola. 

 

Właściwości ośrodka - bezwładność i sprężystość  

 

Elementy drgają  wokół położenia równowagi  

 

zaburzenie przekazywane jest elementom sąsiednim 

 

nie jest to związane z przenoszeniem substancji  

 

energia może być przenoszona na duże odległości 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

RODZAJE FAL 

 

Ze względu na kierunek ruchu 

  

 

 

 

fale poprzeczne - sprężystość postaci, czyli kształtu  

 

fale podłużne - sprężystość objętościowa 

  

Ze względu na ilość wymiarów   1D,  2D,  3D 

 

Ze względu na zachowanie się cząstek materii  

 

pojedyncze fale  

 

ciągi falowe  

rys. z Halliday, Resnick, Walker,  
Podstawy fizyki, tom 2  

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

FALE JEDNOWYMIAROWE 

 

 

 

 

Dla  

t = 0

           

y(x,0) = f(x)

   

odkształcenie przesuwa się wzdłuż struny lub sznura nie zmieniając 
swego kształtu.  

 

Po czasie  

t

       

y(x,t) = f(x-vt) 

 

 

 

taki sam kształt w punkcie x = vt w chwili t jaki w punkcie x = 0 w 
chwili = 0.  

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

RÓWNANIE FALOWE 

 

Funkcja f(x-vt) jest rozwiązaniem równania  

 

2

2

2

2

2

1

t

f

v

x

f

=

 

 

 

 

 

 

Rozwiązaniem jest dowolna, dwukrotnie różniczkowalna  funkcja  

 

f(

±

 vt

ϕ

 = x 

±

 vt    faza drgań 

 

 

 

Sprawdzenie 

f

x

f

f

v

t

f

′′

=

′′

=

2

2

2

2

2

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

 

Równanie falowe w trzech wymiarach 

 

 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

t

f

v

z

f

y

f

x

f

=

+

+

 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

FALE HARMONICZNE 

 

Ź

ródło w punkcie x = 0 wykonuje drgania   y(0, t) = A cos

ω

 

 

t’ =  t – x/v 

zatem: 

y(x, t) = y(0, t’) = A cos

ω

(t –x/v) 

y(x, t) = A cos(

ω

 t – 

ω

 

x / v) 

y = A cos(

ω

 t - k x) 

 

k = 

ω

 

/v

  - liczba falowa             jednostka:  [k] =1/m  

ω

  - częstość kołowa 

 - prędkość fazowa 

wektor falowy: 

ˆ

k

x

v

ω

=

r

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

 

 DŁUGOŚĆ FALI

 

 

y(x, t) = A cos(

ω

 t – kx )         

 

 

 

Długość fali   

λ

                          t = const. 

ϕ

1

(x) - 

ϕ

2

(x + 

λ

) = 2

π

 

[

ω

 t - k x] – [

ω

 t - k (x + 

λ

)] = 2

π

          

 k

λ

 = 2

π

  

2

k

π

λ

=

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

OKRES FALI

 

 

y(x, t) = A cos(

ω

 t – kx )         

 

 

Okres fali   

T

                            x = const. 

ϕ

(t + T) - 

ϕ

(t) = 2

π

 

 [

ω

(t + T- k x] - [

ω

 t – k x] = 2

π

 

ω

T = 2

π

                                    

 

2

T

π

ω

=

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

 

PRĘDKOŚĆ FALI 

 

 

 

Prędkość fali   v                      k = 

ω

 

/v   

 

 

2

2

v

k

k

T

ω

πω λ
π

= =

=

  

 

v

T

λ

=

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

10

ZASADA SUPERPOZYCJI 

rys. Halliday, Resnick, Walker, 
Podstawy fizyki, tom 2,  
PWN 2003 

 
W tym samym obszarze  
w przestrzeni może 
rozchodzić się jednocześnie 
wiele różnych fal.  

 

Wychylenie badanego 
elementu ośrodka w danej 
chwili jest sumą wychyleń 
jakich doznawałby ten 
element pod działaniem 
każdej fali z osobna. 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

11

 

 

SUPERPOZYCJA DWÓCH FAL

 

 

 

ω

ω

ω

ω

1

 ≠ 

ω

ω

ω

ω

 

 

generator    

ψ

(0, t

 

)=cos

ω

1

t + A cos

ω

2

 
fala biegnąca    

ψ

(x, t) = 

ψ

1

(x, t

ψ

2

(x, t)

    

  

 

ψ

(x, t=   Acos(

ω

1 

t - k

x)+Acos(

ω

t – k

2 

x) 

            

 

ψ

(x, t) = A

mod

(x, t)cos(

ω

ś

t - k

ś

x

1

2

1

2

1

2

1

2

2 cos

cos

2

2

2

2

k

k

k

k

A

t

x

t

x

ω ω

ω ω

+

+

=

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

12

 

SUPERPOZYCJA DWÓCH FAL

 

 

 

ω

ω

ω

ω

1

 ≠ 

ω

ω

ω

ω

 

ψ

(x, t) = A

mod

(x, t)cos(

ω

ś

t - k

ś

x

 

gdzie:     

A

mod

(x, t) = 2Acos(

ω

mod 

t - k

mod 

x

 

 

 

rys. Jaworski Dietłaf, Fizyka poradnik 
encyklopedyczny, PWN 2000 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

13

PRĘDKOŚĆ GRUPOWA 

 
 

Prędkość rozchodzenia się modulacji 

 

ϕ

(

ω

mod 

 t – k

mod 

 x) = const.     

           

 

2

1

2

1

mod

mod

mod

k

k

k

dt

dx

v

=

=

=

ω

ω

ω

                      

ω

 = v

f

 k

  

 

Prędkość grupowa    v

= v

mod

 

dk

d

v

g

ω

=

 

  

 

 

Ogólnie  

 

v

f

 = const

( )

f

f

g

v

dk

k

v

d

dk

d

v

=

=

=

ω

 

prędkość grupowa jest 

równa prędkości fazowej. 

g

f

v

v

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

14

           

 

PRĘDKOŚĆ GRUPOWA 

 

 

  

Energia fali 
rozchodzi się z 
prędkością 
grupową !

 

rys. - F.C.Crawford, Fale,  
PWN W-wa 1972 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

15

FALE ZŁOŻONE 

 

 

      

 

ω

: ω

2

 = 1 : 3 

 

 

 

a)

 

suma dwóch fal o dużej różnicy częstości 

b)

 

suma dwóch fal o podobnych częstościach 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

16

 INTERFERENCJA FAL 

 

Dwie fale o stałej w czasie różnicy faz: 

1

2

cos(

)

cos(

)

m

m

y

y

t

kx

y

y

t

kx

ω

ϕ

ω

=

=

   

 

  

Fala wypadkowa o amplitudzie zależnej od 
różnicy faz: 

 

ϕ

2

1

cos

2

m

y

A

=

            

 

  A

 ( 0 , 2y

m

) 

[

]

1

2

cos(

)

cos(

)

1

1

2

cos(

) cos

2

2

1

1

2

cos

cos(

)

2

2

m

m

m

y

y

y

y

y

t

kx

t

kx

y

y

t

kx

y

y

t

kx

ω

ϕ

ω

ω

ϕ

ϕ

ϕ

ω

ϕ

=

+

=

+

=

=

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

17

INTERFERENCJA FAL

  

 

 

 

ϕ

2

1

cos

2

m

y

A

=

 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

18

FALE STOJĄCE 

 

+

=

=

)

cos(

)

cos(

2

1

kx

t

y

y

kx

t

y

y

m

m

ω

ω

                     

             

y = y

1

+y

2  

= y

cos(

ω

t - kx)  

+ y

cos(

ω

t + kx)      

                       

 

y = [2y

cos(kx)] cos(

ω

t

 

 
amplituda drgań   
   

A=2y

m

cos(kx)  

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

19

FALE STOJĄCE 

 

Wszystkie punkty są w tej samej fazie 

  

1

3

5

,  

,  

,  ...

2

2

2

kx

π

π

π

=

    

węzły 

 

kx = 

π

 2

π

 ....   strzałki 

 

Energia nie jest przenoszona  

 

Energia jest zmagazynowana w strunie  

 

 

Zbiór oscylatorów o różnych amplitudach 

 

Warunki odbicia fal od końców struny narzucają ograniczenia  -   tak 
zwane  

warunki brzegowe

.  

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

20

REZONANS 

 
 

warunki brzegowe 1 

 

całkowita ilość połówek fali  -    

L = n 

λ

/

 

 

n

L

n

2

=

λ

 

L

v

n

v

f

n

n

2

=

=

λ

 

 

 siła wymuszająca    

F = F

0

 cos(

ω

t)   

rezonans  

przy wielu 

ω

n

,  

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

21

REZONANS 

 
 

warunki brzegowe 2 

 

 

  

    

 

1

+

 

=

n

n

λ

λ

4

 

2

1

  

  

L

  

n

n

L

λ

4

1

)

1

2

(

+

=

 

 

1

2

4

+

=

n

L

n

λ

 

 

L

v

n

v

n

n

2

)

1

2

(

2

π

λ

π

ω

+

=

=

 

  

rezonans  

przy wielu 

ω

n

,  

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

22

SZEREG FOURIERA 

 

Dowolny ruch o okresie T można przedstawić jako sumę drgań harmonicznych, 
czyli w postaci 

szeregu Fouriera 

 

+

+

=

n

n

n

n

t

n

b

t

n

a

a

t

f

)

sin(

)

cos(

2

1

)

(

0

ω

ω

  

gdzie 

T

π

ω

2

=

 



=

=

T

n

T

n

dt

t

n

t

F

T

b

dt

t

n

t

F

T

a

0

0

)

sin(

)

(

2

)

cos(

)

(

2

ω

ω

 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

23

SZEREG FOURIERA 

FUNKCJI PROSTOKĄTNEJ 

 
 
 

 
 

Suma pierwszych siedmiu składowych szeregu Fouriera funkcji prostokątnej: 
 

 

1

1

1

sin

sin 3

sin 5

sin 7

...

3

5

7

y

t

t

t

t

ω

ω

ω

ω

=

+

+

+

+

 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

24

 

DWIE SKŁADOWE 

TRZY SKŁADOWE 

CZTERY SKŁADOWE 

PIĘĆ SKŁADOWYCH 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

25

CAŁKA FOURIERA 

 

Jeżeli ruch jest nieperiodyczny to szereg zastępuje  

całka Fouriera 

 

+

=

0

0

)

sin(

)

(

)

cos(

)

(

)

(

ω

ω

ω

ω

ω

ω

d

t

b

d

t

a

t

f

 



=

=

0

0

)

sin(

)

(

2

)

(

)

cos(

)

(

2

)

(

dt

t

t

F

b

dt

t

t

F

a

ω

π

ω

ω

π

ω

      

                

 
 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

26

ROZKŁAD SPEKTRALNY 

 

 

Dowolne fale można rozpatrywać jako kombinacje  

fal harmonicznych

 

 

+

=

0

0

)

cos(

)

(

)

sin(

)

(

)

,

(

ω

ω

ω

ω

ω

ω

d

kx

t

b

d

kx

t

a

t

x

f

 

            

 

Z

ależności a(

ω

) oraz b(

ω

)  -  rozkład spektralny (widmo) 

 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

27

WIDMA 

 

     

 

widmo żarówki                    widmo żarówki energooszczędnej 

 

 

widmo lampy halogenowej 

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

28

ENERGIA W OŚRODKU TRÓJWYMIAROWYM 

   

1)

 

Jeżeli  nie  ma  absorpcji  całkowita  energia  przenoszona  przez  fale  w  ciągu 
sekundy pozostaje stała i równa mocy wysyłanej ze źródła. 

 

const.

E

P

t

= =

 

Natężenie fali

  

I(r

 jest to ilość energii przepływającej w jednostce czasu 

przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku propagacji 

 

( )

dP

I r

dS

=

r

 

 
Dla punktu odległego o r od źródła fali kulistej całkowita powierzchnia przez 
którą przechodzi fala jest równa  S = 4

π

 

r

2

a całkowita moc: 

 

2

4

)

(

r

r

I

P

=

π

         

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

29

ENERGIA W OŚRODKU TRÓJWYMIAROWYM 

 
 

Natężenie fali kulistej 
 
 

2

4

)

(

r

r

I

P

=

π

   

 

2

4

)

(

r

P

r

I

z

=

π

 

 
 

 

2

A

I

              A

1/r 

     

   

 

background image

 

EWR 2010                                                                                                                fale sprężyste /  

30

STRATY ENERGII 

 
 
2)  Pochłanianie fal 
 

   
     

    

 

 

 Dla fal kulistych 

2

2

0

4

)

(

r

e

I

r

I

r

π

γ

=

 

   
 

2)

 

Rozpraszanie fal - dodatkowa utrata energii w wyniku oddziaływania z 
napotykanymi po drodze przeszkodami.  

 

x

e

A

x

A

γ

=

0

)

(

x

e

I

x

I

γ

2

0

)

(

=