FALE
MECHANICZNE

Fale sprężyste są to mechaniczne

zaburzenia (odkształcenia)

rozprzestrzeniające się w ośrodku

sprężystym. Fale mechaniczne nie mogą

rozchodzić się w próżni. Ciała zewnętrzne

powodujące owe zaburzenia ośrodka

nazywają się źródłami fal. Rozchodzenie

się fal sprężystych polega na wzbudzaniu

drgań cząstek ośrodka coraz bardziej

odległych od źródła fal. Najważniejszą

cechą odróżniającą fale sprężyste od

dowolnego innego uporządkowanego

ruchu cząstek ośrodka jest to, że w

przypadku małych zaburzeń (przybliżenie

liniowe) rozchodzenie się fal sprężystych

nie jest związane z przenoszeniem

substancji.

v= λ/T= λf

f=v/ λ= const dla danej fali

λ – długość fali

T – okres fali

v – prędkość fali

f- częstotliwość fali

λ –odległość dwóch najbliżej od siebie położonych cząsteczek
ośrodka, leżących w tej samej fazie drgań

Przykładem fali mechanicznej jest fala

dźwiękowa. Fale dźwiękowe

(akustyczne) są to małe mechaniczne

drgania cząstek (słabe zaburzenia)

rozchodzące się w ośrodku

sprężystym. Dział fizyki badający

właściwości fal dźwiękowych,

prawidłowości ich powstawania i

rozchodzenia się oraz oddziaływania z

napotkanymi przeszkodami nazywa

się akustyką. Prędkość dźwięku w

powietrzu, w zależności od

temperatury i składu powietrza może

przyjmować wartości w okolicach 330-

350 m/s.

Podział fal:

Ze względu na kierunek drgań ośrodka wyróżniamy :

Fale podłużne : są to fale sprężyste, w których drgania
cząstek ośrodka zachodzą w kierunku równoległym do
kierunku rozchodzenia się fal. Fale podłużne związane są ze
sprężystością objętościową ośrodka. Z tego powodu, mogą
one występować zarówno w ciałach stałych, jak i w cieczach
lub gazach. Falą podłużną jest np. fala dźwiękowa.

Fale poprzeczne : są to fale, w których cząstki ośrodka
drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia
się fali. Fale poprzeczne mogą powstawać tylko w ośrodkach
mających sprężystość postaci, czyli w ciała stałych.

Podział fal:

Ze względu wymiarowość:

Fala jednowymiarowa : rozchodzi się wzdłuż jednego
kierunku.

Fala dwuwymiarowa : np. fale powierzchniowe
powstające na swobodnej powierzchni cieczy lub na
powierzchni rozgraniczającej dwie nie mieszające się ciecze.
W tym przypadku cząstki cieczy wykonują jednocześnie
drgania poprzeczne i podłużne, opisywane przez tory
eliptyczne lub jeszcze bardziej złożone. Szczególne
właściwości fal powierzchniowych są spowodowane tym, że
w powstawaniu i rozchodzeniu się tych fal specyficzną rolę
odgrywają siły ciężkości i napięcia powierzchniowego.

Fala trójwymiarowa : fala rozchodząca się w
trójwymiarowej przestrzeni.

Podział fal:

Ze względu na formę geometryczną :

Fala płaska : fala uzyskana np. w wyniku
rzucenia na powierzchnię wody prostego druta,
który trzymamy poziomo do tej powierzchni.
Innym przykładem są fale uderzające o brzeg
morza.

Fala kolista: powstaje wtedy gdy źródło fali ma
bardzo małe rozmiary, np. kamień wrzucony do
wody.

Fala kulista : powstaje wtedy gdy źródło fali ma
bardzo małe rozmiary, np. brzęczenie muchy

Ośrodek, w którym rozchodzi się fala, dzielimy umownie na źródło i
cząstki A, B,C, D,... ( małe porcje np. metalu, powietrza), które mogą
ze sobą wzajemnie oddziaływać. Przyjmijmy, że cząstka A znajduje
się najbliżej źródła. Cząstka A, bezpośrednio pobudzana przez źródło
(1.), przekazuje energię cząstce B (2.), leżącej bezpośrednio za nią,
wprawiając ją w ruch. Następnie cząstka B pobudza do ruchu cząstkę
C (3.).

Powstawanie fali:

1.

2.

3.

Z reguły z ruchem falowym wiąże

się transport energii. W przypadku

fal dźwiękowych mówimy często o

mocy akustycznej emitowanej przez

źródło, podawanej w watach. Fale

przenoszą tę energię i mogą ją

oddać w dużej odległości od źródła,

np. wprawiając w ruch membranę

bębenka w naszym uchu.

Efekt Dopplera

Polega na odbieraniu fali o

innej częstotliwości niż ta, z

jaką drga źródło, na skutek

ruchu źródła względem

odbiornika.

Efekt Dopplera

Zjawisko to możemy zaobserwować, np. w

momencie gdy zbliża się do nas, mija, a

następnie oddala się od nas karetka

pogotowia z włączonym sygnałem

dźwiękowym. Gdy źródło dźwięku zbliża się

do obserwatora, odbierany dźwięk jest

wyższy.

Efekt Dopplera

Źródło ruchome,
obserwator nieruchomy

dźwięk

niższy

dźwięk wyższy

f’= f (v/v-v”)

f’’= f (v/v+v”)

przypadek I:

f’, f”- częstotliwość fali
odbieranej przez
obserwatora

f- częstotliwość fali
generowanej przez
źródło

v- prędkość fali

v”-prędkość źródła

II przypadek- źródło

nieruchome, obserwator

ruchomy

przy zbliżaniu:

f’= f (v-v”/ v)

przy oddalaniu:

f’’= f (v+v”/ v)

f’, f”- częstotliwość fali obserwowanej
f- częstotliwość fali generowanej przez źródło
v- prędkość fali
v”-prędkość obserwatora