WykÅ‚ad 11 Dynamika oÅ›rodków sprężystych Fale mechaniczne Fale powstajÄ…ce w oÅ›rodkach sprężystych (np. fale dzwiÄ™kowe) nazywamy falami mechanicznymi. PowstajÄ… one w wyniku wychylenia jakiegoÅ› fragmentu oÅ›rodka z poÅ‚ożenia równowagi, co w nastÄ™pstwie powoduje drgania fragmentu wokół tego poÅ‚ożenia. Drgania te (dziÄ™ki wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciom sprężystym oÅ›rodka) sÄ… przekazywane na kolejne części oÅ›rodka. Sam oÅ›rodek nie przesuwa siÄ™, a jedynie jego elementy wykonujÄ… drgania w ograniczonych obszarach przestrzeni. Na przykÅ‚adzie fal na powierzchni wody widzimy, że przedmioty pÅ‚ywajÄ…ce wykonujÄ… ruch drgajÄ…cy natomiast same fale poruszajÄ… siÄ™ ruchem jednostajnym. Fala dobiegajÄ…ce do danego przedmiotu wprawiajÄ… go w ruch drgajÄ…cy przekazujÄ…c mu energiÄ™. Można za pomocÄ… fal przekazywać wiÄ™c energiÄ™ na duże odlegÅ‚oÅ›ci. Energia fal to energia kinetyczna i potencjalna czÄ…stek oÅ›rodka. CechÄ… charakterystycznÄ… fal jest to, że przenoszÄ… one energiÄ™ poprzez materiÄ™ dziÄ™ki przesuwaniu siÄ™ zaburzenia w materii a nie dziÄ™ki ruchowi postÄ™powemu samej materii. Do rozchodzenia siÄ™ fal mechanicznych potrzebny jest oÅ›rodek. To wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci sprężyste oÅ›rodka decydujÄ… o prÄ™dkoÅ›ci rozchodzenia siÄ™ fali. Ze wzglÄ™du na kierunek drgaÅ„ czÄ…stek wzglÄ™dem kierunku rozchodzenia siÄ™ fali, rozróżniamy " Fale poprzeczne. PrzykÅ‚adem fali poprzecznej sÄ… drgania liny, w której zachodzÄ… one w kierunku prostopadÅ‚ym do kierunku rozchodzenia siÄ™ fali (rys.XI.1a). Fala na powierzchni wody też jest falÄ… poprzecznÄ…. " Fale podÅ‚użne. PrzykÅ‚adem fali podÅ‚użnej jest fala, która powstaje w drgajÄ…cej sprężynie (rys.XI.1b). Dla fali podÅ‚użnej drgania zachodzÄ… w tym samym kierunku w którym rozchodzi siÄ™ fala. Fale dzwiÄ™kowe, które emitujemy gÅ‚osem też sÄ… falami podÅ‚użnymi. Ze wzglÄ™du na czoÅ‚o fali (czoÅ‚o jest to powierzchnia Å‚Ä…czÄ…ca punkty o jednakowych zaburzeniach w danej chwili) wyróżniamy " fale pÅ‚askie (czoÅ‚o fali jest pÅ‚aszczyznÄ… i fala rozchodzi siÄ™ w kierunku, prostopadÅ‚ym do tej pÅ‚aszczyzny); " fale kuliste (czoÅ‚o fali jest kulÄ… i fala rozchodzi siÄ™ we wszystkich kierunkach). 105 Rys.XI.1.Fale poprzeczne (a) i podÅ‚użne (b) Fale rozchodzÄ…ce siÄ™ w przestrzeni Rozważmy dÅ‚ugÄ… strunÄ™ naciÄ…gniÄ™tÄ… w kierunku x, wzdÅ‚uż którego biegnie fala t = 0 poprzeczna. W dowolnej chwili na przykÅ‚ad ksztaÅ‚t struny można opisać funkcjÄ… y(x) = f (x) Oy , gdzie y przemieszczenie czÄ…steczek struny wzdÅ‚uż osi . Przypuśćmy, że w miarÄ™ upÅ‚ywu czasu fala biegnie wzdÅ‚uż struny bez zmiany ksztaÅ‚tu w prawo, czyli w stronÄ™ t = 0 wzrostu x. Wybierzemy w chwili jakiÅ› punkt fali, dla którego wychylenie struny w A y(xA ) = f (xA ) kierunku osi Oy jest równe . Wtedy, po czasie t fala przesuwa siÄ™ o Å t w Å x = xA + Å t prawo (gdzie - prÄ™dkość fali) i po czasie t w punkcie fali wychylenie struny w 106 y(x) = y(xA ) a" f (xA ) xA = x kierunku osi Oy bÄ™dzie równe . Ponieważ - Å t możemy zapisać y(x,t) = f (x - Å t) . (XI.1) Równanie (XI.1) jest wiÄ™c równaniem fali rozchodzÄ…cej siÄ™ w prawÄ… stronÄ™ struny. KsztaÅ‚t fali f (x - Å t) okreÅ›la funkcja . Fala rozchodzÄ…ca siÄ™ w lewÄ… stronÄ™ struny, czyli w stronÄ™ mniejszych x - ów, okreÅ›la wzór y(x,t) = f (x + Å t) . (XI.2) x = - Å t Istotnie, ze wzoru (XI.2) wynika, że w chwili t w punkcie , ksztaÅ‚t fali (wychylenie struny) jest taki sam jak w chwili t = 0 w punkcie x = 0. f (x Ä… Å t) Argument funkcji , czyli Õ (x,t) = x Ä… Å Å" t , (XI.3) nosi nazwÄ™ fazy drgaÅ„. Przypuśćmy, że Å›ledzimy wybranÄ… część fali, dla której faza drgaÅ„ Õ (x,t) = x - Å Å" t jest staÅ‚a x - Å t = const . (XI.4) RóżniczkujÄ…c (XI.4) wzglÄ™dem czasu otrzymujemy dx = Å . (XI.5) dt Å A zatem, prÄ™dkość rzeczywiÅ›cie okreÅ›la prÄ™dkość, z którÄ… punkt majÄ…cy okreÅ›lone wychylenie (okreÅ›lonÄ… fazÄ™) porusza siÄ™ wzdÅ‚uż struny. Jest to tak zwana prÄ™dkość fazowa. f (x Ä… Å t) f (x Ä… x0 ) Zauważmy, że dla danego t = t0 w funkcji fali , czas jest staÅ‚y i funkcja x x0 = Å Å" t0 , zależy tylko od i okreÅ›la ksztaÅ‚t fali w chwili t = t0 . Jeżeli rozważymy gdzie x = xA f (x Ä… Å t) x jakiÅ› okreÅ›lony punkt struny , to w funkcji fali zmienna jest staÅ‚a i f (xA Ä… Å Å" t) x = xA funkcja zależy tylko od t i okreÅ›la drgania struny w punkcie . Rozważmy teraz falÄ™ o szczególnym ksztaÅ‚cie. Załóżmy, że w chwili t = 0 ksztaÅ‚t struny jest opisany funkcjÄ… 2Ä„ y = Asin x , (XI.6)
107 gdzie A jest maksymalnym wychyleniem. Zauważmy, że wychylenie jest takie samo w 2Ą 2Ą 2Ą sin( x) = sin( x + 2Ą ) = sin( + 4Ą ) = punktach x, x + , x + 2, x + 3 itd., ponieważ
2Ą sin( x + 6Ą ) itd. Wielkość nazywamy długością fali (odległość między punktami o tej
samej fazie). Jeżeli fala biegnie w prawo to 2Ą y = Asin (x - Št) . (XI.7)
Okres T jest czasem, w którym fala przebiega odlegÅ‚ość równÄ… wiÄ™c: = Å Å" T , stÄ…d x t ëÅ‚ öÅ‚ y = Asin 2Ä„ - ÷Å‚ . (XI.8) ìÅ‚ T íÅ‚ Å‚Å‚ Ze wzoru (XI.8) widać, że w okreÅ›lonej chwili t taka sama faza jest w punktach x, x+, x+ 2 , x+3 itd., ponieważ x t x t x t x t ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ sin 2Ä„ - ÷Å‚ ìÅ‚ - ÷Å‚ ìÅ‚ ìÅ‚ = sin[2Ä„ + 2Ä„ ] = sin[2Ä„ - ÷Å‚ + 4Ä„ ] = sin[2Ä„ - ÷Å‚ itd., + 6Ä„ ] ìÅ‚ T T T T íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ oraz, że w danym miejscu faza powtarza siÄ™ w chwilach t, t + T, t +2T, itd., ponieważ x t x t x t ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ sin 2Ä„ - ÷Å‚ ìÅ‚ - ÷Å‚ - 2Ä„ ] = sin[2Ä„ - ÷Å‚ - 4Ä„ ] = sin[2Ä„ ìÅ‚ ìÅ‚ itd. T T T íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ CzÄ™sto przy rozważaniu zjawisk falowych w fizyce wprowadza siÄ™ dwie nowe wielkoÅ›ci: liczbÄ™ falowÄ… k / 2Ä„ É = 2Ä„ /T . Wówczas dla fal biegnÄ…cych i czÄ™stość kÄ…towÄ… w prawo i lewo możemy zapisać y = Asin(kx - É t) y = Asin(kx + É t) lub Widać, że prÄ™dkość fazowa fali Å jest dana wzorem 2Ä„ É Å = = Å" = . T T 2Ä„ k 108 Rozchodzenie siÄ™ fal, prÄ™dkość fal Å Jeżeli chcemy zmierzyć prÄ™dkość fali to Å›ledzimy jak przemieszcza siÄ™ w czasie wybrana część fali, czyli okreÅ›lona faza. Wiemy, że prÄ™dkość fali zależy od sprężystoÅ›ci oÅ›rodka i jego bezwÅ‚adnoÅ›ci. Sprężystość dla struny jest okreÅ›lona poprzez napinajÄ…cÄ… jÄ… siÅ‚Ä™ F (na przykÅ‚ad im wiÄ™ksza siÅ‚a tym szybciej wychylone elementy struny wracajÄ… do poÅ‚ożenia równowagi). Natomiast bezwÅ‚adność jest zwiÄ…zana z masÄ… struny m oraz jego dÅ‚ugoÅ›ciÄ… l. Spróbujemy teraz Å wyprowadzić wzór na zależność prÄ™dkoÅ›ci fali od siÅ‚y F i od µ = m/l, tj. masy przypadajÄ…cej na jednostkÄ™ dÅ‚ugoÅ›ci struny. W tym celu rozpatrzmy maÅ‚y wycinek struny o dÅ‚ugoÅ›ci dx pokazany na rys.XI.2. Przypuśćmy, że w chwili t maÅ‚y fragment " l odksztaÅ‚conej struny o dÅ‚ugoÅ›ci ma ksztaÅ‚t Å‚uku koÅ‚a o promieniu R (rys.XI.2). rð " l Natężenie na obu koÅ„cach odcinka F ma kierunek styczny do struny. SkÅ‚adowe Rys.XI.2. Drgania struny. Ox poziome (wzdÅ‚uż osi ) znoszÄ… siÄ™, a obie Oy ¸ skÅ‚adowe pionowe (wzdÅ‚uż osi ) sÄ… równe F sin¸ . Dla maÅ‚ych kÄ…tów , mamy: sin(¸ ) H" ¸ O . A zatem wypadkowa pionowa siÅ‚a tj. siÅ‚a skierowana ku punktowi wynosi Fwyp = 2F sin(¸ ) = 2F Å" ¸ . m " l Jeżeli masa struny jest równa , to masa rozważanego elementu wynosi " m = (m / l) Å" " l a" µ Å" " l µ = m / l . Tu - masa przypadajÄ…ca na jednostkÄ™ dÅ‚ugoÅ›ci struny, czyli tzw. gÄ™stość liniowa. Zgodnie z drugÄ… zasadÄ… dynamiki siÅ‚a wypadkowa jest równa iloczynowi masy " m wycinka i jego przyspieszenia. A zatem 2 " Å " y y Fwyp = 2F Å" ¸ = (µ " l) = (µ " l) . 2 " t " t OznaczajÄ…c " l = 2x , otrzymujemy 2 µ " y ¸ = Å" x . 2 F " t SkÄ…d 2 " ¸ µ " y = . (XI.9) 2 " x F " t 109 ¸ = " y / " x UwzglÄ™dniajÄ…c, że znajdujemy 2 2 " y µ " y = . (XI.10) 2 " x2 F " t Podstawmy teraz do tego równania odpowiednie pochodne funkcji y = f (x,t) = Asin(k x - É t) 2 " y 2 = - AÉ sin(k x - É t) , 2 " t oraz 2 " y 2 = - Ak sin(k x - É t) . " x2 W wyniku podstawienia otrzymujemy µ 2 2 k = É , F skÄ…d możemy obliczyć prÄ™dkość fali É F Å = = . (XI.11) k µ Zwróćmy uwagÄ™, że sinusoidalna fala może być przenoszona wzdÅ‚uż struny z prÄ™dkoÅ›ciÄ… niezależnÄ… od amplitudy i czÄ™stotliwoÅ›ci. Jeżeli teraz przepiszemy równanie struny w postaci 2 2 " y 1 " y = , (XI.12) 2 2 " x2 Å " t to otrzymamy równanie falowe, które stosuje siÄ™ do wszystkich rodzajów rozchodzÄ…cych siÄ™ fal, takich jak fale dzwiÄ™kowe czy fale elektromagnetyczne. Interferencja fal InterferencjÄ… fal nazywamy zjawisko nakÅ‚adania siÄ™ fal, wskutek czego zachodzi ich wzajemne wzmocnienie w jednych punktach przestrzeni oraz osÅ‚abienie w innych, w zależnoÅ›ci od stosunków faz interferujÄ…cych fal. Rozważmy dwie fale o równych czÄ™stotliwoÅ›ciach i amplitudach, ale o fazach różniÄ…cych ´ siÄ™ o . Równania tych fal sÄ… nastÄ™pujÄ…ce y1 = Asin(k x - É t - ´ ) , 110 y2 = Asin(k x - É t) . y = y1 + y2 Znajdzmy teraz falÄ™ wypadkowÄ… jako sumÄ™ . KorzystajÄ…c ze wzoru na sumÄ™ sinusów Ä… + ² Ä… - ² sin Ä… + sin ² = 2sin cos , (XI.13) 2 2 otrzymujemy ´ y = y1 + y2 = 2AcosëÅ‚ öÅ‚ sin(k x - É t - ´ / 2) ìÅ‚ ÷Å‚ , (XI.14) 2 íÅ‚ Å‚Å‚ 2Acos(´ / 2) co jest równaniem fali sinusoidalnej o amplitudzie . Dla ´ = 0,2Ä„ ,4Ä„ ,Kð2nÄ„ mamy , 2Acos(´ / 2) = 2Acos(nÄ„ ) = (- 1)n Å" 2A a zatem fale wzmacniajÄ… siÄ™ (amplituda wypadkowej fali wzrasta o 2 razy). Dla ´ = Ä„ ,3Ä„ ,Kð(2n + 1)Ä„ mamy 2Acos(´ / 2) = 2Acos[(2n + 1)Ä„ / 2) = 0 , a zatem fale wygaszajÄ… siÄ™ (amplituda wypadkowej fali jest zerowa). Fale stojÄ…ce Drugim przykÅ‚adem interferencji (nakÅ‚adania siÄ™) fal jest fala stojÄ…ca. Rozważmy dwa ciÄ…gi falowe biegnÄ…ce w przeciwnych kierunkach tzn. y1 = Asin(k x - É t) , y2 = Asin(k x + É t) , na przykÅ‚ad falÄ™ padajÄ…cÄ… i odbitÄ…. KorzystajÄ…c ze wzoru (XI.13) dla fali wypadkowej możemy zapisać y = y1 + y2 = 2Asin(kx)cos(É t) . (XI.15) Jest to równanie tak zwanej fali stojÄ…cej. Zauważmy, że czÄ…stki drgajÄ… ruchem harmonicznym prostym. CzÄ…stki majÄ… tÄ™ samÄ… czÄ™stość, ale różnÄ… amplitudÄ™ zależnÄ… od poÅ‚ożenia czÄ…stki x. kx = (2n + 1)Ä„ / 2 n = 0,1,2,Kð sin(kx) = Ä… 1 Punkty (gdzie ), dla których majÄ… maksymalnÄ… 111 n = 0,1,2,Kð amplitudÄ™ i nazywajÄ… siÄ™ strzaÅ‚kami. Punkty kx = nÄ„ (gdzie ), dla których sin(kx) = 0 majÄ… zerowÄ… amplitudÄ™ i nazywajÄ… siÄ™ wÄ™zÅ‚ami. Zwróćmy uwagÄ™ na jeszcze jednÄ… istotnÄ… różnicÄ™. W przypadku fali stojÄ…cej, energia nie jest przenoszona wzdÅ‚uż struny (sznura), bo nie może ona przepÅ‚ynąć przez wÄ™zÅ‚y, jest na staÅ‚e zmagazynowana w poszczególnych elementach struny (sznura). UkÅ‚ady drgajÄ…ce, przykÅ‚ad Jeżeli struna zamocowana na obu koÅ„cach zostanie najpierw wygiÄ™ta a nastÄ™pnie puszczona, to wzdÅ‚uż struny rozchodzÄ… siÄ™ drgania poprzeczne. Zaburzenia te odbijajÄ… siÄ™ od zamocowanych koÅ„ców i w wyniku interferencji powstaje fala stojÄ…ca. Zwróćmy uwagÄ™, że drgania struny wytwarzajÄ… w otaczajÄ…cym strunÄ™ powietrzu dzwiÄ™kowe fale podÅ‚użne (fale akustyczne). Ponieważ jedynym warunkiem, jaki musi być speÅ‚niony, jest nieruchomość obu koÅ„ców struny, czyli istnienie wÄ™złów fali stojÄ…cej na tych koÅ„cach, to mogÄ… powstać w tej strunie fale stojÄ…ce o różnej dÅ‚ugoÅ›ci. Pierwsze cztery rodzaje drgaÅ„, jakie powstajÄ… w strunie o dÅ‚ugoÅ›ci L zamocowanej na koÅ„cach sÄ… pokazane na rys.XI.3. Takie fale stojÄ…ce nazywamy rezonansami. Widzimy, że dÅ‚ugoÅ›ci fal speÅ‚niajÄ… zwiÄ…zek 2L = . (XI.16) n n = 2L 1 KorzystajÄ…c z tego, że prÄ™dkość fali Å = T = v oraz podstawiajÄ…c = L 2 wyrażenie (XI.11) możemy obliczyć czÄ™stotliwość rezonansów: = 2L/3 3 n n F ½ = Å = . (XI.17) n = L/2 4 2L 2L µ L NajniższÄ… czÄ™stość nazywamy czÄ™stoÅ›ciÄ… podstawowÄ… a pozostaÅ‚e Rys.XI.3. Rezonanse. wyższymi harmonicznymi czyli alikwotami. Zazwyczaj w drganiach wystÄ™pujÄ…, oprócz drgania podstawowego, również drgania harmoniczne, a dzwiÄ™ki, jakie odbieramy sÄ… wynikiem nakÅ‚adania siÄ™ tych drgaÅ„. O jakoÅ›ci instrumentu (jego barwie) decyduje wÅ‚aÅ›nie to ile alikwotów jest zawarte w dzwiÄ™ku i jakie sÄ… ich natężenia. PrzykÅ‚adowo, drganie wypadkowe struny bÄ™dÄ…ce zÅ‚ożeniem tonu podstawowego (n = 1) i wyższych harmonicznych (n = 3, 5, 7) o różnych amplitudach jest pokazane na rys. XI.4. 112 Zwróćmy uwagÄ™, że wypadkowe drganie (chociaż okresowe) nie jest harmoniczne (nie daje siÄ™ opisać funkcjÄ… sinus lub cosinus). n = 1 drganie wypadkowe n = 3 n = 5 t n = 7 Rys.XI.4. Drganie wypadkowe struny bÄ™dÄ…ce zÅ‚ożeniem tonu podstawowego (n = 1) i wyższych harmonicznych (n = 3, 5, 7) o różnych amplitudach. Dudnienia - modulacja amplitudy MówiliÅ›my już o superpozycji fal, interferencji w przestrzeni (dodawanie fal o tej samej czÄ™stoÅ›ci). Rozpatrzmy teraz przypadek interferencji w czasie. Pojawia siÄ™ ona, gdy przez dany punkt w przestrzeni przebiegajÄ… w tym samym kierunku fale o trochÄ™ różnych czÄ™stotliwoÅ›ciach. Wychylenie wywoÅ‚ane przez jednÄ… i drugÄ… falÄ™ majÄ… postać y1 = Asin(É t) , 1 y2 = Asin(É t) , 2 wiÄ™c, korzystajÄ…c ze wzoru (XI.13), otrzymujemy É - É É + É îÅ‚ öÅ‚ 1 2 y = y1 + y2 = 2Acos( t)Å‚Å‚ sinëÅ‚ 1 2 t ìÅ‚ ÷Å‚ . (XI.18) ïÅ‚ śł 2 2 ðÅ‚ ûÅ‚ íÅ‚ Å‚Å‚ Drgania wypadkowe można wiÄ™c uważać za drgania o czÄ™stoÅ›ci É + É 1 2 É = , srednie 2 która jest Å›redniÄ… czÄ™stoÅ›ciÄ… dwóch fal, i o amplitudzie (wyrażenie w nawiasie kwadratowym) zmieniajÄ…cej siÄ™ w czasie z czÄ™stoÅ›ciÄ… 113 É - É 1 2 É = . ampl 2 Jeżeli czÄ™stotliwoÅ›ci É i É sÄ… bliskie siebie to amplituda zmienia siÄ™ powoli. Mówimy, że 1 2 mamy do czynienia z modulacjÄ… amplitudy AM (stosowana np. w odbiornikach radiowych). Dla fal dzwiÄ™kowych AM przejawia siÄ™ jako zmiana gÅ‚oÅ›noÅ›ci (dzwiÄ™k to wzrasta, to gaÅ›nie) i nazywa siÄ™ dudnieniami (rys.XI.5). y t y t Rys.XI.5. Dudnienia. Zjawisko Dopplera Austriak, Christian Doppler w pracy z 1842 r zwróciÅ‚ uwagÄ™, że barwa Å›wiecÄ…cego ciaÅ‚a (czÄ™stotliwość) musi siÄ™ zmieniać z powodu ruchu wzglÄ™dnego obserwatora lub zródÅ‚a. Zjawisko Dopplera wystÄ™puje dla wszystkich fal (dzwiÄ™kowych, Å›wietlnych itd.). Obecnie rozważymy je dla fal dzwiÄ™kowych. Zajmiemy siÄ™ przypadkiem ruchu zródÅ‚a i obserwatora wzdÅ‚uż Å‚Ä…czÄ…cej ich prostej. Wybierzmy ukÅ‚ad odniesienia nieruchomy wzglÄ™dem oÅ›rodka (na przykÅ‚ad powietrza), w którym biegnÄ… fale. Rozważmy przypadek, dla którego zródÅ‚o dzwiÄ™ku Z spoczywa w wybranym ukÅ‚adzie odniesienia, a obserwator na przykÅ‚ad w samochodzie porusza siÄ™ z prÄ™dkoÅ›ciÄ… Å 0 w kierunku zródÅ‚a dzwiÄ™ku. OkrÄ™gi na rys.XI.6 oznaczajÄ… czoÅ‚a fal oddalonych
od siebie o jednÄ… dÅ‚ugość fali . Gdyby obserwator byÅ‚ nieruchomy, a odlegÅ‚ość zródÅ‚a dzwiÄ™ku od obserwatora t l l / = Å t / fal w czasie i czÄ™stość sÅ‚yszana przez wynosiÅ‚aby , to obserwator odbieraÅ‚by ½ = Å t / t = Å / obserwatora wynosiÅ‚aby . Tu Å - prÄ™dkość fal. 114 Gdy obserwator porusza siÄ™ z prÄ™dkoÅ›ciÄ… Å w kierunku zródÅ‚a dzwiÄ™ku, odlegÅ‚ość 0 obserwatora od zródÅ‚a dzwiÄ™ku zmniejsza siÄ™ i w tym samym czasie t obserwator odbierze Å t / dodatkowych fal. CzÄ™stość sÅ‚yszana 0 przez obserwatora wynosi Å t Å t O + Å + Å Å + Å O O v'= = = . Å t Rys.XI.6 v SkÄ…d Å + Å Å ëÅ‚ öÅ‚ O 0 v'= v = ½ Å" 1+ ìÅ‚ ÷Å‚ . (XI.19) Å Å íÅ‚ Å‚Å‚ A zatem czÄ™stość dzwiÄ™ku sÅ‚yszana przez obserwatora ulega zwiÄ™kszeniu. Kiedy obserwator oddala siÄ™ od nieruchomego zródÅ‚a dzwiÄ™ku czÄ™stość dzwiÄ™ku sÅ‚yszana przez obserwatora zmniejsza siÄ™ i wynosi Å - Å Å ëÅ‚ öÅ‚ O 0 v'= v = ½ Å" 1- ÷Å‚ ìÅ‚ . (XI.20) Å Å íÅ‚ Å‚Å‚ W przypadku, gdy obserwator spoczywa, Å a zródÅ‚o dzwiÄ™ku porusza siÄ™ z prÄ™dkoÅ›ciÄ… Z (rys.XI.7) czÄ™stość dzwiÄ™ku sÅ‚yszanÄ… przez obserwatora okreÅ›la wzór ëÅ‚ öÅ‚ Å ìÅ‚ ÷Å‚ v'= = ½ Å" . (XI.21) ìÅ‚ ÷Å‚ Å mð Å íÅ‚ Z Å‚Å‚ Tu znak minus odnosi siÄ™ do ruchu zródÅ‚a w kierunku obserwatora, a znak plus dla ruchu Rys.XI.7 od obserwatora. 115 Literatura do WykÅ‚adu 11 1. Robert Resnik, David Halliday: Fizyka 1, Wydawnictwo PWN, Warszawa, 1994, str.465-522. 2. Sz. Szczeniowski, Fizyka doÅ›wiadczalna, t.1, PWN, Warszawa 1980, str. 533-541; str.558-564. Zadania do WykÅ‚adu XI 1. WzdÅ‚uż sznura biegnie fala. Przy zaÅ‚ożeniu, że czas jaki upÅ‚ywa pomiÄ™dzy momentem maksymalnego i zerowego wychylenia w ustalonym punkcie sznura wynosi 0,25 s, znalezć: a) czÄ™stość; b) prÄ™dkość rozchodzenia siÄ™ fali jeżeli jej dÅ‚ugość wynosi 4 m. Odpowiedz: a) 1 Hz; b) 1 m/s. 2. GÄ™stość liniowa drgajÄ…cego sznura wynosi 1,5 10-4 kg/m. W sznurze rozchodzi siÄ™ fala y y = 0,05sin(2x + 200t) x poprzeczna opisana równaniem , gdzie i sÄ… wyrażone w m , a czas w sekundach. Ile wynosi naprężenie nici? Odpowiedz: 1,5 N. 3. Ze zródÅ‚a punktowego wychodzi izotropowo we wszystkich kierunkach fala. y r Uzasadnić nastÄ™pujÄ…ce wyrażenie dla wychylenia czÄ…stki w dowolnej odlegÅ‚oÅ›ci od zródÅ‚a Y y(r,t) = cos[k(r - Å Å" t)] . r 4. Obliczyć amplitudÄ™ ruchu wypadkowego wynikajÄ…cego z naÅ‚ożenia dwóch prostych fal harmonicznych o takim samym kierunku rozchodzenia siÄ™ i takiej samej czÄ™stoÅ›ci, jeżeli amplitudy skÅ‚adowych wynoszÄ… 3,0 cm i 4,0 cm, a drgania różniÄ… siÄ™ w fazie o Ä„ / 2 radiana. Odpowiedz: 5 cm. 5. Trzy nakÅ‚adajÄ…ce siÄ™ fale sinusoidalne majÄ… ten sam okres, natomiast ich amplitudy 0,Ä„ / 2,Ä„ majÄ… siÄ™ do siebie jak 1:1/2:1/4, a staÅ‚e fazowe sÄ… równe . Narysować ksztaÅ‚t fali wypadkowej i przedyskutować jej charakter. 6. Drgania sznura sÄ… opisane równaniem Ä„ x y = 0,5sinëÅ‚ öÅ‚ cos(40Ä„ t) ìÅ‚ ÷Å‚ , 3 íÅ‚ Å‚Å‚ y x t gdzie i sÄ… wyrażone w cm, a w s. a) Jaka jest amplituda i prÄ™dkość fal skÅ‚adowych, których superpozycja może dawać takie drgania? b) Jaka jest odlegÅ‚ość 116 x = 1,5 t = 9 / 8 miÄ™dzy wÄ™zÅ‚ami? c) Jaka jest prÄ™dkość czÄ…stki w punkcie cm w chwili s? Odpowiedz: a) 0,25 cm, 120 cm/s. b) 3,0 cm. c) Zero. S1 S2 7. Dwa zródÅ‚a i emitujÄ… fale o tej samej czÄ™stoÅ›ci i amplitudzie. Fazy poczÄ…tkowe tych fal sÄ… takie same. Pokazać, że superpozycja tych dwóch fal daje falÄ™, której amplituda zmienia siÄ™ ze zmianÄ… poÅ‚ożenia punktu P zgodnie (w przybliżeniu) z wyrażeniem 4Y k cosîÅ‚ (r2 - r1)Å‚Å‚ . śł r1 + r2 ïÅ‚ 2 ðÅ‚ ûÅ‚ 8. W leczeniu i niszczeniu nowotworów tkanki miÄ™kkiej używa siÄ™ fal ultradzwiÄ™kowych o dużym natężeniu i czÄ™stoÅ›ci 10 MHz. Jaka jest dÅ‚ugość tej fali w tkance, jeżeli szybkość rozchodzenia siÄ™ dzwiÄ™ku w tkance wynosi 1500 m/s? Odpowiedz: 1,5 mm. 9. Udowodnić wzór (XI.20). 10. Udowodnić wzór (XI.21). 117