background image

 

Opracował Jerzy Stasz 

11. Drgania,fale 

 

Wahadło sprężynowe; siła sprężysta 

 

kx

F

=

 

2

o

m

k

ω

=

 

Równanie ruchu harmonicznego 

 

0

2

2

2

=

+

x

dt

x

d

o

ω

 

Rozwiązanie   

   

 

 

)

sin(

o

o

t

A

x

ϕ

ω

+

=

 

Prędkość 

 

 

 

 

)

cos(

o

o

t

A

v

ϕ

ω

ω

+

=

  

 

Przyspieszenie 

 

 

 

x

a

o

2

ω

=

 

o

ϕ

- faza początkowa  

 

 

o

o

o

T

f

π

π

ω

2

2

=

=

 

f

o

 –częstotliwość, T

o

 - okres 

Okres wahań wahadła sprężynowego 

k

m

T

o

π

2

=

   

 

Okres wahań wahadła matematycznego 

g

l

T

π

2

=

 

 

 

l- długość wahadła, g – przyspieszenie ziemskie 
 
 

Okres wahań wahadła fizycznego 

 

mgr

I

T

o

π

2

=

 

I

o

 – moment bezwładności względem osi wahań, m – masa wahadła, – odległość środka 

masy do osi wahań 
 

Energia  drgań  

 

E = E

k

(t) + E

p

(t) = const 

2

2

max

2

1

2

1

kA

mv

E

=

=

 

 

 

 

 

)

(

2

1

)

(

2

t

mv

t

E

k

=

 

 

)

(

2

1

)

(

2

t

kx

t

E

p

=

 

 
Drgania tłumione, siły: 

F = ma = -kx – bv 

 

Równanie ruchu  

 

0

2

2

2

2

=

+

+

x

dt

dx

dt

x

d

ω

β

 

m

b

2

=

β

 

Rozwiązanie    

 

)

sin(

ϕ

ω

β

+

=

t

e

A

x

t

o

 

2

2

2

β

ω

ω

=

o

 

 
Amplituda 

 

 

t

o

e

A

A

β

=

 

Logarytmiczny dekrement tłumienia  

T

A

A

n

n

β

=

=

Λ

+

1

ln

 

 
 
 
 
 

background image

 

Opracował Jerzy Stasz 

Drgania wymuszone, siły: 

t

F

bv

kx

ma

F

o

+

=

=

cos

 

Równanie ruchu  

 

t

m

F

x

dt

dx

dt

x

d

o

o

=

+

+

cos

2

2

2

2

ω

β

 

Rozwiązanie    

 

)

sin(

ϕ

=

t

A

x

 

Amplituda 

 

 

2

2

2

2

4

)

(

+

=

β

ω

o

o

m

F

A

 

Przesunięcie fazowe   

2

2

2

=

o

tg

ω

β

ϕ

 

 

Częstość rezonansowa 

2

2

2

β

ω

=

o

r

 

 

A = maximum 

 
 
 
 
Równanie fali płaskiej rozchodzącej się w kierunku +x 

 

 

 

 

)

sin(

kx

t

A

y

=

ω

 

 

T

f

π

π

ω

2

2

=

=

 

Liczba falowa  

 

λ

π

2

=

k

 

 

Prędkość fazowa fali   

k

v

ω

=

 

Prędkość fali podłużnej w ciele stałym 

)

2

1

)(

1

(

)

1

(

µ

µ

ρ

µ

+

=

E

v

 

E – moduł Younga 

ρ

 – gęstość ciała, µ –współczynnik Poissona 

Prędkość fali podłużnej w pręcie 

 

ρ

E

v

=

 

Prędkość fali poprzecznej w ciele stałym  

ρ

G

v

=

 

G- moduł sprężystości postaciowej 

Prędkość fali poprzecznej w strunie o przekroju poprzecznym SF – siła naciągu 

 

 

 

 

 

 

S

F

v

ρ

=

 

 

Prędkość fali podłużnej w cieczy 

 

βρ

1

=

v

 

β – współczynnik ściśliwości 

cieczy 
 

Prędkość fali podłużnej w gazie 

 

ρ

κ

p

v

=

 

κ – wykładnik adiabaty,   

p – ciśnienie 
 
Natężenie fali (ilość energii ∆W przepływającą w czasie ∆t  przez powierzchnię  ∆S)  

background image

 

Opracował Jerzy Stasz 

 

 

 

 

2

2

2

2

1

A

v

s

m

J

t

S

W

I

ω

ρ

=





=

 

Amplituda ciśnienia fali 

A

v

p

m

ω

ρ

=

 

 
Opór akustyczny 

 

v

Z

ρ

=

 

 
Współczynnik odbicia przy przejściu prostopadłym fali z ośrodka „1” do ‘2”: 

 

 

 

 

2

2

1

2

1





+

=

Z

Z

Z

Z

R

 

 
Współczynnik transmisji przy przejściu prostopadłym fali z ośrodka „1” do ‘2”: 
 

 

 

 

T = 1 – R         

(pomijamy straty na absorpcję) 

 
 
Natężenie fali akustycznej kulistej w odległości 

r od źródła punktowego o mocy P

 

 

 

 

2

4

r

P

I

=

π

 

 

Tłumienie (absorpcja) płaskiej fali akustycznej w zależności od odległości x 
 

 

 

 

x

o

e

I

I

α

=

 

 

α

 – współczynnik absorpcji 

 

Głośność 

 

 





=

o

I

I

L

log

10

 [dB] 

I

o

 

= 10

-12

 W/m

2

 – próg słyszalności dla f = 1000 Hz 

 
Częstotliwość 

dudnień 

2

1

f

f

f

d

=

   

 

f

, f

2 

 - częstotliwości 

nakładających się dźwięków 
 

Efekt Dopplera, zbliżanie    

v

v

v

v

f

f

o

1

2

1

1

+

=

  

f

o

 – częstotliwość drgań źródła  

Efekt Dopplera, oddalanie    

v

v

v

v

f

f

o

1

2

1

1

+

=

  

– obserwowana częstotliwość  

v

 – prędkość dźwięku, v

1

 – prędkość źródła, v

2

 – prędkość obserwatora

background image

 

Opracował Jerzy Stasz 

 

1.

 

Oscylator ma postać klocka o masie m = 0.5 kg umocowanego na sprężynie. Po 
wprawieniu w drgania o amplitudzie A = 35 cm oscylator powtarza swój ruch co 0.5 s. 
Wyznacz: a) okres - T, b) częstość - f, c) częstość kołową - ω, d) stałą sprężystości -k, 
e) maksymalną prędkość- vm, f) wartość maksymalnej siły Fm, jaką sprężyna 
wywiera na klocek 

 
2.

 

Ciało drga ruchem harmonicznym opisanym wzorem (w jednostkach SI) 

)

3

cos(

5

,

6

π

π

+

=

t

x

. Dla czasu

 t = 2 s wyznacz: a) przemieszczenie, b) prędkość, c) 

przyspieszenie, d) fazę, e) częstość, f) okres drgań 

 

3.

 

W drgającym układzie klocek – sprężyna energia mechaniczna wynosi 1 J., amplituda  
10 cm, maksymalna prędkość 1,2 m/s. Wyznacz: a) stałą sprężystości, b) masę klocka, 
c) częstość drgań 

 

4.

 

Jaka jest długość wahadła „sekundowego”, które wykonuje pełne wahnięcie z lewa na 
prawo i z powrotem w ciągu 2 s? (zastosuj wzór dla wahadła matematycznego) 

 

5.

 

Oscylator tłumiony ma następujące parametry: m = 250 g, k = 85 N/m, b = 70 g/s. 
Wyznacz: a) okres drgań tego oscylatora, b) czas, po którym  amplituda drgań 
tłumionych  zmaleje do połowy swojej wartości początkowej? 

 

6.

 

Napisz wzór przedstawiający falę sinusoidalną , mającą  amplitudę 0,01 m, częstość 
550 Hz, prędkość 330 m/s. biegnącą a) w ujemnym kierunku wzdłuż osi x, b) w 
kierunku dodatnim . 

 

7.

 

Oblicz prędkość fal poprzecznych 

v w sznurze o długości =2 m i masie m = 60 g 

poddanym naprężeniu 

F = 500 N. 

 

8.

 

 Lina, po której może biec fala, ma długość 

=2,7 m i masę = 260 g. Naprężenie 

liny wynosi N =36 N. Jaka musi być częstość fali biegnącej o amplitudzie A = 7,7 
mm, aby jej średnia moc była równa 85 W? (

2

2

2

1

A

v

P

sr

ω

µ

=

), µ

 = m/l 

 

9.

 

W przypadku normalnego słuchu zakres częstości słyszalnych rozciąga się od około 
20 Hz  do 20 kHz. Jakie długości fal dźwiękowych w powietrzu odpowiadają tym 
częstościom? Prędkość dźwięku w powietrzu v = 340 m/s. 

 

10.

 

Ź

ródło emituje izotropowo fale dźwiękowe. Natężenie fal w odległości 2,5 m od 

ź

ródła wynosi 1,91

10

-4

  W/m

2

.  

a)

 

wyznacz poziom głośności dźwięku w [decybelach]. 

b)

 

wyznacz moc źródła. 

 

11.

 

Poziom głośności pewnego źródła dźwięku wzrósł o 30 dB. O jaki czynnik wrosły 
jego a) natężenie ,b) amplituda zmian ciśnienia