FIZYKA 2

MECHANIKA. DRGANIA I FALE

Drgania

Drgania, to szczególny rodzaj ruchu - oscylacyjnego, np. ruch wahadła, drgania strun głosowych, fale świetlne, elektromagnetyczne itp. Drgania oscylacyjne są maksymalnie płynne, co zapewnia minimalną energię traconą przy przejściu ze stanu do stanu. Stąd, duże rozpowszechnienie drgań w przyrodzie.

Wahadło drga dlatego, że po wychyleniu powstaje składowa siły ciążenia skierowana do środka wahadła, rys.1. Po zniknięciu tej siły pojawia się siła bezwładności, powodowana przyspieszeniem w pierwszej fazie ruchu itd. Idealne wahadło raz wprawione w ruch drga bez końca. Rzeczywiste wahadło zmniejsza stopniowo amplitudę drgań do zera (drgania tłumione).

Rys. 1. Rozkład siły ciążenia w wahadle na składową wzdłużną i dośrodkową, wywołującą ruch powrotny. Dalszy ruch wahadła wymusza siła bezwładności, wytworzona w pierwszej fazie. Podobny mechanizm, jak w wahadle rządzi drganiami strun w instrumentach muzycznych oraz drganiami strun głosowych. Ton dźwięku zależy od grubości struny, moc drgań - od siły wymuszającej, barwa od zawartości tonów pobocznych

Rozchodzenie się drgań - fala

Rozchodzenie się fal jest dobrze widoczne na wodzie. Po wprowadzeniu zaburzenia, np. za pomocą długiej belki tworzy się na powierzchni tzw. fala plaska. Jej okres jest mniej więcej stały (zależy od gęstości i lepkości wody). Amplitudę określa czynnik wymuszający.

Ruch fali płaskiej (jednowymiarowej) określa równanie

y=Asin2π(t/T-x/λ)

gdzie y - wychylenie od stanu równowagi; A - amplituda wychylenia; t - czas (zmienna niezależna); T - okres fali (odwrotność częstotliwości drgań); x - odległość od punktu zaburzenia (zmienna niezalezna); λ - długość fali. Falę wyróżniają 3 parametry:

-długość fali (odstęp między maksymami) λ

- okres lub częstotliwość T=1/f oraz

- amplituda A.

Fala (płaska) jest jednocześnie funkcją dwu zmiennych: czasu i przestrzeni, rys.2. Stojąc w ustalonym miejscu x możemy obserwować zmieniające się w czasie stany fali - linia czerwona.

Tak samo przechodząc błyskawicznie wzdłuż osi x (w tym samym czasie) możemy obserwować analogiczne zmiany fali w funkcji x - linia niebieska.

bbb

Rys.2. Fala jako struktura przestrzenno-czasowa

Fala akustyczna

Falę akustyczną tworzą zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza. Jest to zwykle fala kulista, rozchodząca się w 3 kierunkach.

W idealnej próżni fale akustyczne nie występują. Termin `akustyka' pochodzi od nazwy pasma częstotliwości, słyszalnego przez człowieka. Zawiera się ono mniej więcej między 20 Hz, a 20.000 Hz (herców, czyli cykli sinusoidalnych przemykających w ciągu 1 sekundy).

Pytanie: Czy w próżni występują fale elektromagnetyczne?

Mikrofon i słuchawka

Mikrofon służy do transformacji głosu na prąd elektryczny, słuchawka (głośnik) - do transformacji odwrotnej: prąd na głos. Powodem transformacji na prąd jest łatwość przesyłania na duże odległości.

W mikrofonie (piezoelektrycznym) ciśnienie fali głosowej wywołuje proporcjonalne zmiany oporności mikrofonu, a te, przy stałym napięciu baterii - odpowiednie zmiany prądu, rys.3.

Rys.3. Schemat mikrofonu

W słuchawce drgania wytwarza elektromagnes, którego rdzeń i przyczepiona doń membrana (płytka) drgają w takt przepływającego wokół prądu, rys.4.

Rys.4. Schemat słuchawki

Pytania

1. Co rozumiemy pod pojęciem urządzenia HiFi?

2. Jaka jest szybkość rozchodzenia się fali głosowej i od czego zależy? Odp. 331 m/s

3. Jakie parametry określają szybkość fali?

Wskazówka: Szybkość, to np. przemieszczanie maksimum fali w czasie, czyli t/T-x/λ musi być stałe. Zatem x=λt/T-const oraz dx/dt=v=λ/T.

---