plik


Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki WykBad 15 15. Fale w o[rodkach spr|ystych 15.1 Fale mechaniczne Fale powstajce w o[rodkach spr|ystych (np. fale dzwikowe) nazywamy falami mechanicznymi. Powstaj w wyniku wychylenia jakiego[ fragmentu o[rodka z poBo|e- nia rwnowagi co w nastpstwie powoduje drgania fragmentu wokB tego poBo|enia. Drgania te (dziki wBa[ciwo[ciom spr|ystym o[rodka) s przekazywane na kolejne cz[ci o[rodka. Sam o[rodek nie przesuwa si, a jedynie jego elementy wykonuj drga- nia w ograniczonych obszarach przestrzeni. Np. fale na powierzchni wody: przedmioty pBywajce wykonuj ruch drgajcy natomiast same fale poruszaj si ruchem jednostaj- nym. Fala dobiegajce do danego przedmiotu wprawiaj go w ruch drgajcy przekazu- jc mu energi. Mo|na za pomoc fal przekazywa wic energi na du|e odlegBo[ci. Energia fal to energia kinetyczna i potencjalna czstek o[rodka. Cech charakterystyczn fal jest to, |e przenosz energi poprzez materi dziki prze- suwaniu si zaburzenia w materii a nie dziki ruchowi postpowemu samej materii. Do rozchodzenia si fal mechanicznych potrzebny jest o[rodek. To wBa[ciwo[ci spr|y- ste o[rodka decyduj o prdko[ci rozchodzenia si fali. Ze wzgldu na kierunek drgaD czstek wzgldem kierunku rozchodzenia si fali " fale poprzeczne (np. lina) " fale podBu|ne (np. spr|yna, gBos) Ze wzgldu na czoBo fali (powierzchnia Bczca punkty o jednakowych zaburzeniach w danej chwili) wyr|niamy " fale pBaskie (w jednym kierunku) " fale kuliste 15.2 Fale rozchodzce si w przestrzeni Rozwa|my dBugi sznur nacignity w kierunku x, wzdBu| ktrego biegnie fala po- przeczna. W dowolnej chwili np. t = 0 ksztaBt sznura mo|na opisa funkcj y = f(x), t = 0 y  przemieszczenie czsteczek sznura sznura. W miar upBywu czasu fala biegnie wzdBu| sznura bez zmiany ksztaBtu. Po czasie t fala przesuwa si o vt w prawo (v - prdko[ fali). Zatem po czasie t rwnanie krzywej ma posta y = f(x -vt), t Oznacza to, |e w chwili t w punkcie x = vt, ksztaBt jest taki sam jak w chwili t = 0 w punkcie x = 0. Mamy wic rwnanie fali tylko trzeba okre[li funkcj f. Je|eli [ledzimy wybran cz[ fali (czyli okre[lon faz) to musimy zbada jak zmienia si w czasie okre[lona warto[ y (np. maksimum - amplituda). Chcemy |eby y byBo caBy 15-1 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki czas takie samo, wic argument x -- vt musi by taki sam, a to oznacza, |e gdy czas ro- [nie to musi te| rosn x (czyli ruch w prawo). Fala w lewo ma wic rwnanie y = f(x+vt). Podsumowujc, dla wybranej fazy mamy x -vt = const. R|niczkujc wzgldem czasu otrzymujemy d x - v = 0 d t czyli d x = v d t To jest prdko[ fazowa. Zauwa|my, |e dla danego t mamy rwnanie f(x), a dla danego miejsca sznura x mamy rwnanie f(t). Rozwa|my teraz fale o szczeglnym ksztaBcie. ZaB|my, |e w chwili t = 0 ksztaBt sznura jest opisany funkcj 2 y = Asin x  gdzie A jest maksymalnym wychyleniem. Zauwa|my, |e wychylenie jest takie samo w punktach x, x + , x + 2, x + 3 itd. Wielko[  nazywamy dBugo[ci fali (odlegBo[ midzy punktami o tej samej fazie). Je|eli fala biegnie w prawo to po czasie t 2 y = Asin (x -vt)  To jest rwnanie fali biegncej. Okres T jest czasem, w ktrym fala przebiega odlegBo[ rwn  wic:  = vT std x t y = Asin 2 - (15.1)  T Wida, |e w danej chwili taka sama faza jest w punktach x, x + , x + 2, x + 3 itd., oraz, |e w danym miejscu faza powtarza si w chwilach t, t + T, t +2T, itd. Czsto wprowadza si dwie nowe wielko[ci: liczb falow k = 2/ i czsto[  = 2/T. Wwczas y = Asin(kx-t) lub y = Asin(kx+t) dla fal biegncych w prawo i lewo. Wida, |e prdko[ fazowa fali v jest dana wzorem v = /T = /k (15.2) oraz, |e dla danego x otrzymujemy rwnanie ruchu harmonicznego prostego. 15-2 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki 15.3 Rozchodzenie si fal, prdko[ fal Je|eli chcemy zmierzy prdko[ fali v to [ledzimy jak przemieszcza si w czasie wybrana cz[ fali czyli okre[lona faza. Wiemy, |e prdko[ fali zale|y od spr|ysto[ci o[rodka i jego bezwBadno[ci. Spr- |ysto[ dla sznura jest okre[lona poprzez napinajc go siB F (np. im wiksza siBa tym szybciej wychylone elementy sznura wracaj do poBo|enia rwnowagi). Natomiast bezwBadno[ jest zwizana z mas sznura m oraz jego dBugo[ci l. Sprbujemy teraz wyprowadzi wzr na zale|no[ prdko[ci v fali od siBy F i od = m/l tj. masy przypa- dajcej na jednostk dBugo[ci sznura. W tym celu rozpatrzmy maBy wycinek sznura o dBugo[ci dx pokazany na rysunku. KoDce wycinka sznura tworz z osi x maBe kty 1 i 2. Dla maBych ktw  E" sin E" dy/dx. Wypadkowa pionowa siBa tj. siBa wychylajca sznur w kierunku y wy- nosi Fwyp = F sin2 - F sin1 = F2 - F1 Zgodnie z zasad dynamiki siBa wypadkowa jest rwna iloczynowi masy wycinka dm = "dx i jego przyspieszenia. Std "v "2 y y Fwyp = F2 - F1 = (dx) = (dx) 2 "t "t lub 2 " " y = 2 "x F " t (Uwaga: w rwnaniach piszemy pochodne czstkowe oznaczane symbolem "y bo wy- chylenie y jest funkcj dwch zmiennych y = f (x,t) i liczymy pochodne zarwno wzgldem zmiennej x jak i zmiennej t). Uwzgldniaj, |e  = "y/"x otrzymujemy 2 2 " y " y = (15.3) 2 " x2 F " t 15-3 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki Jest to rwnanie falowe dla sznura (struny). Podstawmy teraz do tego rwnania odpo- wiednie pochodne funkcji y = f(x,t) = Asin(k x - t) 2 " y 2 = -A sin(k x -t) 2 " t oraz 2 " y 2 = -Ak sin(k x -t) " x2 W wyniku podstawienia otrzymujemy 2 2 k =  F skd mo|emy obliczy prdko[ fali  F v = = (15.4) k Zwrmy uwag, |e sinusoidalna fala mo|e by przenoszona wzdBu| struny z prdko- [ci niezale|n od amplitudy i czstotliwo[ci. Je|eli teraz przepiszemy rwnanie struny w postaci 2 2 " y 1 " y = (15.5) 2 2 "x2 v " t to otrzymamy rwnanie falowe, ktre stosuje si do wszystkich rodzajw rozchodz- cych si fal, takich jak fale dzwikowe czy elektromagnetyczne. 15.4 Przenoszenie energii przez fale Szybko[ przenoszenia energii wyznaczymy obliczajc siB F jaka dziaBa na koniec struny (porusza strun w gr i w dB w kierunku y). 15-4 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki W tym celu posBu|ymy si zale|no[ci P = Fyv y Jak wida z rysunku prdko[ poprzeczna rwna jest v = "y/"t, a skBadowa siBy F w y kierunku y wynosi Fsin . Podstawiajc do wzoru na moc otrzymujemy " y P = F sin " t Dla maBych ktw  mo|emy przyj sin E"  "y/"x (znak minus wynika z ujemnego nachylenia struny). Std " y " y P = -F " t " x Obliczamy teraz pochodne funkcji y = f(x,t) = Asin(k x -  t) " y = -Acos(kx -t) " t " y = Ak cos(kx - t) " x i podstawiamy do wyra|enia na moc P = FA2k cos2 (k x -t) (15.6) Zauwa|my, |e moc czyli szybko[ przepBywu energii oscyluje w czasie. Korzystajc z tego, |e k =  /v,  = 2f oraz, |e v = F / otrzymujemy 2 2 P = 4 A2 f v cos2 (kx -t) (15.7) Widzimy, |e szybko[ przepBywu energii jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy i kwadratu czstotliwo[ci. Ta zale|no[ jest prawdziwa dla wszystkich typw fal. 15.5 Interferencja fal Rozwa|my dwie fale o rwnych czstotliwo[ciach i amplitudach ale o fazach r|- nicych si o . Rwnania tych fal s nastpujce y1 = Asin(kx  t  ) y2 = Asin(kx  t) 15-5 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki Znajdzmy teraz fal wypadkow (zasada superpozycji) jako sum y = y1 + y2. Korzystajc ze wzoru na sum sinusw otrzymujemy y = 2Acos(/2)sin(kx  t  /2) (15.8) co jest rwnaniem fali sinusoidalnej o amplitudzie 2Acos(/2). Dla  = 0 fale spotykaj si zgodnie w fazie (wzmacniaj), a dla  = 180 wygaszaj. 15.6 Fale stojce Rozwa|my teraz dwa cigi falowe biegnce w przeciwnych kierunkach tzn. y1 = Asin(kx  t) y2 = Asin(kx + t) np. fal padajc i odbit. Fal wypadkow mo|na zapisa jako y = y1 + y2 = 2Asinkxcost (15.9) To jest rwnanie fali stojcej. Zauwa|my, |e czstki drgaj ruchem harmonicznym pro- stym. Czstki maj t sam czsto[ ale r|n amplitud zale|n od poBo|enia czstki x. Punkty kx = /2, 3/2, 5/2, itd. czyli x = /4, 3/4, 5/4 itd. majce maksymaln am- plitud nazywamy strzaBkami a punkty kx = , 2, 3 itd. czyli x = /2, , 3/2 itd. ma- jce zerow amplitud nazywamy wzBami. Zwrmy uwag na jeszcze jedn istotn r|nic. Energia nie jest przenoszona wzdBu| sznura bo nie mo|e ona przepByn przez wzBy, jest na staBe zmagazynowana w po- szczeglnych elementach sznura. 15.6.1 UkBady drgajce, przykBad Je|eli struna zamocowana na obu koDcach zostanie najpierw wygita a nastpnie puszczona, to wzdBu| struny rozchodz si drgania poprzeczne. Zaburzenia te odbijaj si od zamocowanych koDcw i w wyniku interferencji powstaje fala stojca. Zwrmy uwag, |e drgania struny wytwarzaj w otaczajcym strun powietrzu dzwikowe fale podBu|ne (fale akustyczne). Poniewa| jedynym warunkiem, jaki musi by speBniony, jest nieruchomo[ obu koDcw struny, czyli istnienie wzBw fali stojcej na tych koD- cach, to mog powsta w tej strunie fale stojce o r|nej dBugo[ci. Pierwsze cztery ro- dzaje drgaD jakie powstaj w strunie o dBugo[ci L zamocowanej na koDcach s pokazane na rysunku poni|ej. Takie fale stojce nazywamy rezonansami. Widzimy, |e dBugo[ci fal speBniaj zwizek 2L n = (15.10) n 15-6 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki  = 2L 1  = L 2  = 2L/3 3  = L/2 4 L Korzystajc z tego, |e prdko[ fali v =  T = v oraz podstawiajc wyra|enie (15.4) mo|emy obliczy czstotliwo[ rezonansw n n F fn = v = (15.11) 2L 2L Najni|sz czsto[ nazywamy czsto[ci podstawow a pozostaBe wy|szymi harmonicz- nymi czyli alikwotami. Zazwyczaj w drganiach wystpuj, oprcz drgania podstawowego, rwnie| drgania harmoniczne, a dzwiki jakie odbieramy s wynikiem nakBadania si tych drgaD. O ja- ko[ci instrumentu (jego barwie) decyduje wBa[nie to ile alikwotw jest zawarte w dzwiku i jakie s ich nat|enia. PrzykBadowo, drganie wypadkowe struny bdce zBo- |eniem tonu podstawowego (n = 1) i wy|szych harmonicznych (n = 3, 5, 7) o r|nych amplitudach jest pokazane na rysunku poni|ej. n = 1 drganie wypadkowe n = 3 n = 5 t n = 7 Zwrmy uwag, |e wypadkowe drganie (chocia| okresowe) nie jest harmoniczne (nie daje si opisa funkcj sinus lub cosinus). 15-7 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki 15.7 Dudnienia - modulacja amplitudy Mwili[my ju| o superpozycji fal, interferencji w przestrzeni (dodawanie fal o tej samej czsto[ci). Rozpatrzmy teraz przypadek interferencji w czasie. Pojawia si ona gdy przez dany punkt w przestrzeni przebiegaj w tym samym kierunku fale o troch r|nych czstotliwo[ciach. Wychylenie wywoBane przez jedn fal ma posta y1 = Acos2v1t y2 = Acos2v2t wic y = y1 + y2 = A(cos2v1t + cos2v2t) Ze wzoru na sum cosinusw v1 2Acos 2 - v2 v1 + v2 t y = t cos 2 (15.12) 2 2 Drgania wypadkowe mo|na wic uwa|a za drgania o czsto[ci vsrednie = (v1 + v2)/2 ktra jest [redni dwch fal, i o amplitudzie (wyra|enie w nawiasie kwadratowym) zmieniajcej si w czasie z czsto[ci vamp = (v1  v2)/2 Je|eli czstotliwo[ci v1 i v2 s bliskie siebie to amplituda zmienia si powoli. Mwimy, |e mamy do czynienia z modulacj amplitudy AM (stosowana np. w odbiornikach ra- diowych). Dla fal dzwikowych AM przejawia si jako zmiana gBo[no[ci nazywana dudnieniami (rysunek). y t y t 15-8 Z. Kkol-Notatki do WykBadu z Fizyki 15.8 Zjawisko Dopplera Austriak, Christian Doppler w pracy z 1842 r zwrciB uwag, |e barwa [wieccego ciaBa (czstotliwo[) musi si zmienia z powodu ruchu wzgldnego obserwatora lub zrdBa. Zjawisko Dopplera wystpuje dla wszystkich fal. Obecnie rozwa|ymy je dla fal dzwikowych. Zajmiemy si przypadkiem ruchu zrdBa i obserwatora wzdBu| Bczcej ich prostej. yrdBo dzwiku spoczywa, a obserwator porusza si w kierunku zrdBa z prdko[ci vo. Nieruchomy obserwator odbieraB by vt/ fal w czasie t. Teraz odbiera jeszcze dodatko- wo vot/ fal. Czsto[ sByszana przez obserwatora vt vot + v + vo v + vo   v'= = = v t  v Ostatecznie v + vo v'= v v Studiujc pozostaBe przypadki otrzymujemy ogln zale|no[ v vo v'= v (15.12) v m v z gdzie v' - czsto[ odbierana przez obserwatora, v - czsto[ zrdBa, v - prdko[ fali, vo - prdko[ obserwatora, vz - prdko[ zrdBa. Znaki "grne" w liczniku i mianowniku odpowiadaj zbli|aniu si, a znaki dolne odda- laniu si obserwatora i zrdBa. 15-9

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Sieci komputerowe wyklady dr Furtak
Wykład 05 Opadanie i fluidyzacja
WYKŁAD 1 Wprowadzenie do biotechnologii farmaceutycznej
mo3 wykladyJJ
ZARZĄDZANIE WARTOŚCIĄ PRZEDSIĘBIORSTWA Z DNIA 26 MARZEC 2011 WYKŁAD NR 3
Wyklad 2 PNOP 08 9 zaoczne
Wyklad studport 8
Kryptografia wyklad
Budownictwo Ogolne II zaoczne wyklad 13 ppoz
wyklad09
Sporzadzanie rachunku przepływów pienieżnych wykład 1 i 2
fcs wyklad 5
Wyklad08 Zaopatrz wWode
Wyklad3

więcej podobnych podstron