background image

1

)

(

,

0

x

f

y

t

=

=

t)

f(x

y

t

v

=

,

W czasie impuls falowy (fala) poruszaj

ą

cy si

ę

 

z pr

ę

dko

ś

ci

ą

 przesuwa si

ę

 w prawo wzdłu

ż

 

sznura o odcinek równy vt, bez zmiany kształtu

Fala biegn

ą

c

ą

w kierunku ujemnym osi

x

(w lewo) ma posta

ć

:

t)

f(x

y

v

+

=

Rozchodzenie si

ę

 fali w przestrzeni – równanie kinematyczne fali

Je

ś

li na ko

ń

cu sznura (spr

ęż

yny) przyło

ż

ymy 

drgania harmoniczne (sinusoidalne), to powstanie 
fala sinusoidalna.

fala podłużna 

x

fala poprzeczna

y

Dla dowolnej chwili czasu  mo

ż

emy zrobi

ć

 

fotografi

ę

 fali i opisa

ć

 j

ą

 równaniem:

fala poprzeczna:

+

=

+

=

=

π

λϕ

λ

π

ϕ

λ

π

2

2

sin

2

sin

0

0

x

A

x

A

y

y

Umówmy si

ę

ż

e zaczynamy mierzy

ć

 czas w 

chwili t

0

=0 i 

ż

ϕ

0

odpowiada fazie 

pocz

ą

tkowej.

dla t=0

fala podłu

ż

na:

+

=

0

2

sin

ϕ

λ

π

x

A

x

dla t=0

background image

2

(

)





+

=

0

2

sin

ϕ

λ

π

t

x

A

y

v

A - amplituda fali 

λ

długo

ść

 fali 

faza fali

0

2

ϕ

λ

π

+

t)

(x

v

0

ϕ

faza pocz

ą

tkowa

... a jak b

ę

dzie wygl

ą

dała fala po czasie t ?

+

=

0

2

sin

ϕ

λ

π

x

A

y

dla t=0

Czas, w którym fala przebiega odległo

ść

 równ

ą

λ

nazywamy okresem

T.

v

λ

T

=

w danej chwili takie samo wychylenie jest w 
punktach 

x+

λ

+ 2

λ

, itd., 

w danym miejscu takie samo wychylenie 
powtarza si

ę

 w chwilach

tt + T+ 2T

, itd. 

+

=

0

2

sin

ϕ

λ

π

T

t

x

A

y

....a tak wygl

ą

da ruch punktu o 

ustalonej współrz

ę

dnej w zale

ż

no

ś

ci 

od czasu 

t

pr

ę

dko

ść

 fazowa fali 

v

f

T

k

π

π

ω

λ

π

2

2

2

=

=

=

)

sin(

0

ϕ

ω

+

=

t

x

k

A

y

k

ω

λf

T

λ

=

=

=

v

liczba falowa

cz

ę

sto

ść

 k

ą

towa

Napiszmy równanie kinematyczne fali w nieco innej, prostszej 
postaci :

+

=

0

2

sin

ϕ

λ

π

T

t

x

A

y

background image

3

Powierzchni

ę

 ł

ą

cz

ą

c

ą

 punkty, o takiej samej fazie nazywamy powierzchni

ą

 

falow

ą

. Powierzchnie falowe poruszaj

ą

 si

ę

 z pr

ę

dko

ś

ci

ą

 fazow

ą

. Ze wzgl

ę

du 

na kształt powierzchni falowej wyró

ż

niamy fale płaskie i fale kuliste.

fala płaska

fala kulista

Kształt fali

θ

θ

θ

Fd

F

F

F

y

wyp

=

1

2

)

(

sin

sin

Wypadkowa siła działaj

ą

ca na kawałek 

sznura o długo

ś

ci 

dx

Równanie falowe  dla napr

ęż

onego sznura lub struny

ma

F

y

wyp

=

)

(

Z drugiej strony:

(druga zasada dynamiki)

(*)

2

2

)

(

dt

y

d

dx

F

y

wyp

µ

=

- g

ę

sto

ść

 liniowa

dla elementu struny  o długo

ś

ci 

dx

:

µ

(**)

2

2

dt

y

d

dx

Fd

µ

θ

=

2

2

dt

y

d

F

dx

d

µ

θ

=

Ze wzorów (*) i (**) mamy:

i dalej 

dx

dy

θ

Dla małych katów

2

2

2

2

dt

y

d

F

dx

y

d

µ

=

,  czyli ostatecznie:

równanie falowe

K

ą

kol 188

background image

4

)

sin(

0

ϕ

ω

+

=

t

kx

A

y

Sprawd

ź

my  czy równanie kinematyczne fali spełnia równanie falowe

dla struny:

µ

F

=

v

Pr

ę

dko

ść

 

v

rozchodzenia si

ę

 fali jest niezale

ż

na od amplitudy i 

cz

ę

stotliwo

ś

ci, dla fal mechanicznych zale

ż

y od spr

ęż

ysto

ś

ci 

o

ś

rodka i jego bezwładno

ś

ci. 

2

2

2

2

dt

y

d

F

dx

y

d

µ

=

2

2

2

1

v

=

=

ω

µ

k

F

)

sin(

2

2

2

t

kx

Ak

dx

y

d

ω

=

Wyliczmy pochodne:

)

sin(

2

2

2

t

kx

A

dt

y

d

ω

ω

=

F

t

kx

A

t

kx

Ak

µ

ω

ω

ω

)

sin(

)

sin(

2

2

=

ogólne równanie falowe

Równanie ruchu falowego stosuje si

ę

 do wszystkich rodzajów fal spr

ęż

ystych.

2

2

2

2

2

1

dt

y

d

dx

y

d

v

=

µ

F

=

v

Pr

ę

dko

ś

ci fal w ró

ż

nych o

ś

rodkach

1. napr

ęż

ony sznur lub struna

(poprzeczna)

ρ

E

=

v

2. pr

ę

t

(podłu

ż

na)

gdzie:

l

l

E

S

F

=

(E- moduł Younga)

3. fala akustyczna 

(podłu

ż

na)

ρ

K

=

v

gdzie:

V

V

K

p

=

(K- moduł sci

ś

liwo

ś

ci obj

ę

to

ś

ciowej)

(

)

0

sin

ϕ

ω

+

=

t

kx

p

p

m

Fala akustyczna opisuje rozchodzenie si

ę

lokalnej zmiany ci

ś

nienia

gdzie 

p

m

jest amplitud

ą

zmian ci

ś

nienia

background image

5

)

sin(

1

t

kx

A

y

ω

+

=

)

sin(

2

t

kx

A

y

ω

=

interferencja dwu fal rozchodz

ą

cych si

ę

 

w przeciwnych kierunkach na przykład 

+x

-x

Fale stoj

ą

ce

INTERFERENCJA FAL

2

cos

2

sin

2

sin

sin

β

α

β

α

β

α

+

=

+

t

x

k

A

y

y

y

ω

cos

sin

2

2

1

=

+

=

Ruch harmoniczny                                z 

amplitud

ą

kx

A

A

sin

2

'

=

t

A

y

ω

cos

'

=

Punkty, które maj

ą

maksymaln

ą

amplitud

ę

nazywamy strzałkami, a te które maj

ą

 zerow

ą

 

amplitud

ę

 i nazywane s

ą

 w

ę

złami.

Cz

ą

stki o

ś

rodka drgaj

ą

 ruchem harmonicznym prostym ale w przeciwie

ń

stwie do fali 

biegn

ą

cej, ró

ż

ne punkty o

ś

rodka maj

ą

 ró

ż

ne amplitudy drga

ń

 zale

ż

ne od ich poło

ż

enia 

x

Fale stoj

ą

ca dla struny

(pr

ę

ta) zamocowanej na obu ko

ń

cach. 

2

n

n

L

λλλλ

=

f

λ

T

λ

=

=

v

µ

F

=

v

µ

F

L

n

L

n

f

n

n

2

2

=

=

=

v

v

λ

Najni

ż

sza cz

ę

sto

ść

 

cz

ę

sto

ść

 podstawowa,

pozostałe 

wy

ż

sze harmoniczne (alikwoty) 

....)

3

,

2

,

1

(

=

n

pr

ę

t zamocowany

na jednym ko

ń

cu

....)

5

,

3

,

1

(

4

=

=

n

n

L

n

λλλλ

pr

ę

t swobodny

na ko

ń

cach

....)

3

,

2

,

1

(

2

=

=

n

n

L

n

λλλλ

v

L

n

f

n

4

=

v

L

n

f

n

2

=

background image

6

Fale stoj

ą

ce w piszczałce

Barwa dzwi

ę

ku

zale

ż

y od amplitud dla harmonicznych 

wy

ż

szego rz

ę

du o cz

ę

stotliwo

ś

ciach

f

n

.

v

L

n

f

n

2

=

v

L

n

f

n

4

=

....)

5

,

3

,

1

(

4

=

=

n

n

L

n

λλλλ

....)

3

,

2

,

1

(

2

=

=

n

n

L

n

λλλλ

drganie wypadkowe

n = 7

n = 5

n = 3

n = 1

t

Wypadkowe drganie (chocia

ż

 okresowe) 

nie musi by

ć

 harmoniczne (nie daje si

ę

 

opisa

ć

 funkcj

ą

 sinus lub cosinus). 

Dowolne drganie okresowe o okresie mo

ż

emy przedstawi

ć

 jako 

kombinacj

ę

 liniow

ą

 (sum

ę

) drga

ń

 harmonicznych o okresach danych 

wzorem T

n

T/n, gdzie jest liczb

ą

 naturaln

ą

.

Analiza  Fouriera

Analiza fal zło

ż

onych

background image

7

Fale stoj

ą

ce

fale o tej samej cz

ę

stotliwo

ś

ci, interferencja  „w przestrzeni”. 

Dudnienia

fale o nieco ró

ż

ni

ą

cej si

ę

 cz

ę

stotliwo

ś

ci, interferencja  „w czasie”.

t

f

A

t

A

y

1

1

1

2

π

ω

sin

sin

=

=

t

f

A

t

A

y

2

2

2

2

π

ω

sin

sin

=

=

+

=

+

=

t

f

f

t

f

f

A

y

y

y

2

2

sin

2

2

cos

2

2

1

2

1

2

1

π

π

Dudnienia

2

cos

2

sin

2

sin

sin

β

α

β

α

β

α

+

=

+

)

2

sin(

'

)

sin(

'

t

f

A

t

A

y

π

ω

=

=

2

2

1

f

f

f

+

=

Drgania wypadkowe

o cz

ę

stotliwo

ś

ci

i amplitudzie                                   zmieniaj

ą

cej si

ę

 w czasie z cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

:

2

2

1

f

f

f

amp

=

=

t

f

f

A

A

2

2

cos

2

'

2

1

π

http://fizycznyserwis0.republika.pl/dswmedia/fale/dudnienia.htm

Je

ż

eli cz

ę

stotliwo

ś

ci  

f

1

f

2

s

ą

 bliskie 

siebie to amplituda zmienia si

ę

 powoli 

(

f

amp

jest mała). 

Mamy do czynienia z modulacj

ą

 

amplitudy (AM – amplitude modulation). 

2

2

1

f

f

f

amp

=

y

y

t

t

 

Zastosowanie modulacji ma na celu „wprowadzenie” do fali potrzebnej informacji, 
która ma by

ć

 przesłana. 

Modulacja amplitudy jest najstarszym i najbardziej rozpowszechnionym (obok 
modulacji cz

ę

stotliwo

ś

ci FM) sposobem przesyłania informacji za pomoc

ą

 fal 

radiowych 

background image

8

Zjawisko Dopplera wyst

ę

puje dla wszystkich fal.

ZJAWISKO DOPPLERA

Zjawisko Dopplera polega na pozornej zmianie cz

ę

stotliwo

ś

ci fali z powodu 

ruchu obserwatora lub 

ź

ródła fali.

Przykład: Fale d

ź

wi

ę

kowe - ruch 

ź

ródła i obserwatora wzdłu

ż

 ł

ą

cz

ą

cej ich prostej.

Porusza si

ę

 tylko obserwator:

• dla nieruchomego obserwatora okres (czas miedzy 

odebraniem kolejnych powierzchni falowych):

gdzie to pr

ę

dko

ść

 d

ź

wi

ę

ku.

v

/

λ

T

=

• je

ż

eli obserwator porusza si

ę

 z pr

ę

dko

ś

ci

ą

 

v

0

kierunku 

ź

ródła (wychodzi falom na przeciw) to odbiera 

on  powierzchnie  falowe w odst

ę

pie czasu:

o

T

T'

v

v

v

+

=

v

v

v

o

f

f'

+

=

)

/(

'

0

v

v

+

=

λ

T

czyli:

W sytuacji kiedy porusza si

ę

 zarówno 

ź

ródło jak i obserwator 





±

=

z

o

f

f'

v

v

v

v

m

Znaki "górne" odpowiadaj

ą

 zbli

ż

aniu si

ę

 

ź

ródła 

i obserwatora, a znaki "dolne" ich oddalaniu si

ę

•Zmiany cz

ę

stotliwo

ś

ci zale

żą

 od tego czy porusza si

ę

 

ź

ródło czy obserwator. 

•Powy

ż

sze wzory s

ą

 słuszne gdy pr

ę

dko

ś

ci 

ź

ródła i obserwatora s

ą

 mniejsze od pr

ę

dko

ś

ci d

ź

wi

ę

ku.

f

f

f

T

z

z

z

v

v

v

v

=

=

=

λ

λ

λ

•rejestrowana przez obserwatora cz

ę

stotliwo

ść

:

(

)

z

f

f

f

z

v

v

v

v

v

v

v

=

=

=

λ

•skróceniu ulega długo

ść

 fali emitowanej ze 

ź

ródła Z:

Dla pr

ę

dko

ś

ci 

ź

ródła wi

ę

kszej 

od pr

ę

dko

ś

ci d

ź

wi

ę

ku 

powstaje sto

ż

ek Macha

Porusza si

ę

 tylko 

ź

ródło:

background image

9

NAT

ĘŻ

ENIE FALI (na przykładzie fali d

ź

wi

ę

kowej)

Nat

ęż

enie 

biegn

ą

cej fali płaskiej

(czyli moc na jednostk

ę

powierzchni) 

wynosi:

S

t

E

S

P

I

=

=

r

Dal fali kulistej mamy:

2

r

P

S

P

I

r

π

=

=

2

1

r

I

>

<

2

~

p

I