3813100789

cylindra związany jest przekaz energii mechanicznej pomiędzy rożnymi punktami powietrza wypełniającego cylinder. W czasie wydawania dźwięku pierwszemu fragmentowi powietrza zostaje przekazana określona ilość energii mechanicznej, na którą składa się energia kinetyczna (w ruch drgający wprawiona została masa powietrza zawarta w pierwszym fragmencie) oraz energia potencjalna (objętość powietrza pierwszego fragmentu została ściśnięta). Ta porcja energii mechanicznej (i jak zobaczymy także pędu) propaguje się wzdłuż osi cylindra w miarę tego jak są odkształcane (sprężane i rozprężane) kolejne fragmenty objętości powietrza wewnątrz cylindra. W ten sposób rozchodzą się fale dźwiękowe w sali wykładowej. Drgania strun głosowych wykładowcy powodują lokalne (tj. w punktach znajdujących się w pobliżu wykładowcy) zaburzenia równowagowego ciśnienia atmosferycznego powietrza w sali wykładowej. Dzięki sprężystości objętości zaburzenia to rozchodzą się od punktów ośrodka położonych w pobliżu osoby mówiącej do punktów coraz bardziej od niej odległych.

Na podstawie tych przykładów widzimy, że propagacja fal sprężystych wymaga:

(1)    Istnienia materialnego ośrodka sprężystego, którego stan równowagi podlega zaburzeniu.

(2)    Źródła zaburzenia będącego źródłem fali.

(3)    Fizycznego mechanizmu, za pomocą którego sąsiadujące ze sobą części ośrodka mogą oddziaływać na siebie. W naszym przypadku jest to sprężystość ośrodka.

Przytoczone wyżej przykłady miały na celu zilustrowanie podstawowych właściwości fal sprężystych, które składają się na dość abstrakcyjne pojęcie fali w sensie jaki używany jest w naukach inżynierskich oraz w fizyce.

Po tym obszernym wprowadzeniu podajemy definicję fali sprężystej.

Definicja fali sprężystej¹⁸

Falą sprężystą nazywamy proces rozchodzenie się w ośrodku sprężystym zaburzenia stanu równowagi tego ośrodka, któremu towarzyszy przekazywanie energii pomiędzy różnymi punktami ośrodka.

Stan równowagi ośrodka, o którym mowa w powyższej definicji, oznacza tutaj taki stan ośrodka sprężystego, w którym nie obserwuje się żadnych przepływów jakiejkolwiek wielkości fizycznej (np. masy, ładunku, energii, pędu) pomiędzy dwoma różnymi punktami tego ośrodka¹⁹.

Fale sprężyste dzieli się na fale podłużne i poprzeczne. Podstawą tej klasyfikacji jest geometryczna relacja w jakiej pozostają do siebie kierunek rozchodzenia się fali oraz kierunek drgań cząsteczek (fragmentów) ośrodka sprężystego. Jeśli więc kierunki te są prostopadłe, to mówimy, że fala jest poprzeczna. Fale elektromagnetyczne są tego typu. Szarpnięta struna jest ośrodkiem, w którym rozchodzą się fale poprzeczne. Innym przykładem są fale torsyjne w pręcie. Jeśli kierunki te są równoległe, to mówimy, że fala jest podłużna. Takimi są fale głosowe, z którymi związane są lokalne zgęszczenia i rozrzedzenia powietrza. Towarzyszą temu lokalne zmiany ciśnienia powietrza. Falą podłużną są także lokalne zgęszczenie odległości pomiędzy zwojami rozciągniętej sprężyny propagujące się wzdłuż osi sprężyny.

W ciałach stałych mogą się rozchodzić oba typy fal. Natomiast w płynach tylko fale podłużne.

Zadanie 4. Uzasadnić prawdziwość dwóch ostatnich zdań.

¹⁸Inna definicja posługującą się pojęciem pola fizycznego jest następująca: Falą nazywamy propagujące się ze skończoną prędkością zaburzenie pola fizycznego (rozumianego jako wielkość fizyczna charakteryzująca stan równowagi ośrodka), któremu towarzyszy transport energii.

¹⁹W gazach, z uwagi na ustawiczny ruch cieplny molekuł, w stanach równowagi obserwujemy stały przepływ jego cząsteczek wzdłuż dowolnego kierunku. Tym niemniej wypadkowa liczba cząsteczek przepływających tam i z powrotem w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do danego kierunku jest równa zeru.

7