МЕХАНИЧКИ ТАЛАСИ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, СВОЈСТВА, ФОРМУЛЕ, ВРСТЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Механички талас је поремећај који треба физички медијум за ширити. Најближи пример је по звуку, који се може преносити кроз гас, течност или чврсту супстанцу.

Остали познати механички таласи су они који настају када се затегне напети низ музичког инструмента. Или типично кружне пукотине изазване каменом баченим у језерце.

Слика 1. Напети жице музичког инструмента вибрирају попречним таласима. Извор: Пикабаи.

Сметња путује кроз медијум производећи различита помака у честицама које га чине, у зависности од типа таласа. Како талас пролази, свака честица у медију врши понављајућа се кретања која га накратко одвајају од свог равнотежног положаја.

Трајање поремећаја зависи од његове енергије. У таласном кретању енергија је оно што се шири са једне стране медија на другу, пошто вибрирајуће честице никада не залазе превише од места настанка.

Талас и енергија коју носи могу да путују велике удаљености. Кад талас нестане, то је због тога што се његова енергија завршила у распршивању у средини, остављајући све тако мирно и тихо као што је било пре поремећаја.

Типови механичких таласа

Механички таласи су класификовани у три главне главне групе:

- Попречни таласи.

- Уздужни таласи.

- површински таласи.

Попречни таласи

У посмичним таласима честице се крећу окомито на смер ширења. На пример, честице низа на следећој слици осцилирају вертикално док се талас креће лево-десно:

Слика 2. Попречни талас у низу. Правац ширења таласа и правац кретања поједине честице су окомити. Извор: Схарон Бевицк

Лонгитудинални таласи

У уздужним таласима правац ширења и смер кретања честица су паралелни.

Слика 3. Уздужни талас. Извор: Полпол

Површински таласи

У морском таласу, уздужни и попречни таласи се комбинују на површини, дакле површински таласи, који путују границом између два различита медија: воде и ваздуха, као што је приказано на следећој слици.

Слика 4. Океански таласи који комбинују уздужне и попречне таласе. Извор: модификовано из Пикабаи-а.

При разбијању таласа на обали доминирају уздужне компоненте. Стога се примећује да алге у близини обале имају покрет напред-назад.

Примери различитих типова таласа: сеизмичка кретања

За време земљотреса стварају се разне врсте таласа који путују земаљском земљом, укључујући уздужне и попречне таласе.

Уздужни сеизмички таласи се зову П таласи, док попречни С таласи.

Ознака П настаје због чињенице да су таласни таласи и они су примарни и када први стигну, док су попречни С за „смицање“ или смицање и такође су секундарни, пошто стижу након П.

Карактеристике и својства

Жути таласи на слици 2 су периодични таласи, који се састоје од идентичних поремећаја који се крећу лево-десно. Имајте на уму да и а и б имају исту вредност у свакој од таласних области.

Узнемирености периодичног таласа понављају се и у времену и у простору, усвајајући облик синусоидне кривуље коју карактеришу врхови или врхови, који су највише тачке, и долине где су најниже тачке.

Овај пример ће послужити за проучавање најважнијих карактеристика механичких таласа.

Амплитуда и таласна дужина таласа

Претпостављајући да талас на слици 2 представља вибрирајућу жицу, црна линија служи као референца и дели таласни влак на два симетрична дела. Ова линија би се подударала са положајем у којем је конопац у мировању.

Вредност а назива се амплитуда таласа и обично се означава словом А. Са свог дела, удаљеност између две долине или два узастопна гребена је таласна дужина л и одговара величини званој на слици 2.

Период и учесталост

Као понављајућа појава у времену, талас има временски период Т што је потребно време да се заврши комплетан циклус, док је фреквенција ф обратна или реципрочна у периоду и одговара броју циклуса изведених у јединици времена .

Фреквенција ф има као јединице у Међународном систему обратно време: с ^-1 или Хертз, у част Хеинрицха Хертза, који је открио радио таласе 1886. 1 Хз тумачи се као фреквенција еквивалентна једном циклусу или вибрацији по друго.

Брзина таласа вала односи фреквенцију на дужину таласа:

в = λ.ф = л / Т

Угаона фреквенција

Још један користан концепт је угаона фреквенција ω коју даје:

ω = 2πф

Брзина механичких таласа је различита у зависности од медија у коме путују. По правилу, механички таласи имају веће брзине када путују кроз чврсту твар, а спорији су у гасовима, укључујући атмосферу.

Опћенито, брзина многих типова механичких таласа израчунава се сљедећим изразом:

На пример, за талас који креће дуж акорда, брзина је дата:

Напетост у струни тежи враћању низа у равнотежни положај, док густина масе спречава да се то одмах догоди.

Формуле и једначине

Следеће једначине су корисне у решавању вежби које следе:

Угаона фреквенција:

ω = 2πф

Раздобље:

Т = 1 / ф

Масе линеарна густина:

в = λ.ф

в = λ / Т

в = λ / 2π

Брзина ширења таласа у низу:

Примери рада

Вежба 1

Синусни талас приказан на слици 2 путује у правцу позитивне оси к и има фреквенцију од 18,0 Хз, а познато је да је 2а = 8,26 цм и б / 2 = 5,20 цм. Пронађи:

а) Амплитуда.

б) Таласна дужина.

ц) Период.

д) таласна брзина.

Решење

а) Амплитуда је а = 8,26 цм / 2 = 4,13 цм

б) Таласна дужина је л = б = 2 к20 цм = 10,4 цм.

ц) Период Т је инверзан фреквенције, дакле Т = 1 / 18,0 Хз = 0,056 с.

д) Брзина таласа је в = лф = 10,4 цм. 18 Хз = 187,2 цм / с.

Вежба 2

Танка жица дужине 75 цм има масу 16,5 г. Један од његових крајева причвршћен је за нокат, док други има вијак који омогућава подешавање напетости у жици. Израчунајте:

а) брзина овог таласа.

б) Напетост у невтонима неопходна за попречни талас чија таласна дужина је 3,33 цм да вибрира брзином од 625 циклуса у секунди.

Решење

а) Користећи в = λ.ф, који важи за било који механички талас и замене нумеричких вредности, добијамо:

в = 3,33 цм к 625 циклуса / секунди = 2081,3 цм / с = 20,8 м / с

б) Брзина таласа који се шири кроз низ је:

Напетост Т у ужету се постиже тако што ћете га подићи на обе стране једнакости и решити:

Т = в ² .μ = 20.8 ² . 2,2 к 10 ^-6 Н = 9,52 к 10 ^-4 Н.

Звук: уздужни талас

Звук је уздужни талас, који се врло лако може визуелизовати. Све што вам треба је гипка флексибилна спирална опруга с којом се могу провести многи експерименти како би се одредио облик таласа.

Уздужни талас се састоји од импулса који наизменично компримира и шири медијум. Компримовано подручје назива се "компресија", а подручје где су опружне завојнице најудаљеније "експанзија" или "разређивање". Обе зоне се крећу дуж аксијалне осе клизаве и формирају уздужни талас.

Слика 5. Уздужни талас који се шири дуж спиралне опруге. Извор: селф маде.

На исти начин као што се један део опруге стисне, а други се протеже док се енергија креће заједно са таласом, звук компримира делове ваздуха који окружују извор поремећаја. Из тог разлога не може се ширити у вакууму.

За уздужне таласе параметри претходно описани за попречне периодичне таласе подједнако важе: амплитуда, таласна дужина, период, фреквенција и брзина таласа.

На слици 5 приказана је таласна дужина уздужног таласа који путује дуж опруге завојнице.

У њему су одабране две тачке у центру два узастопна компресије које означавају вредност таласне дужине.

Компресије су еквивалентне врховима, а експанзије су еквивалент долинама у попречном таласу, па звучни талас такође може бити представљен синусним таласом.

Карактеристике звука: фреквенција и интензитет

Звук је врста механичког таласа са неколико врло посебних својстава, која га разликују од примера које смо видели до сада. Даље ћемо видети која су његова најрелевантнија својства.

Фреквенција

Људско ухо фреквенцију звука доживљава као звук високог (високог степена) или ниског (ниске фреквенције).

Звучни распон фреквенције у људском уху је између 20 и 20 000 Хз. Преко 20 000 Хз звукови су звани ултразвук и испод инфразвука, фреквенције које су нечувене за људе, али које пси и друге животиње могу да опазе и користити.

На пример, слепи мишеви емитују ултразвучне таласе из носа како би одредили своју локацију у мраку и такође ради комуникације.

Ове животиње имају сензоре са којима примају рефлексне таласе и на неки начин тумаче време кашњења између емитованог таласа и рефлексног таласа и разлике у њиховој фреквенцији и интензитету. Помоћу ових података закључују се пређену раздаљину и на тај начин су у стању да знају где су инсекти и да лете између пукотина пећина у којима живе.

Морски сисари, попут кита и делфина, имају сличан систем: имају специјализоване органе напуњене масноћом у глави, помоћу којих емитују звукове, и одговарајуће сензоре у чељусти који детектују рефлектирани звук. Овај систем је познат као ехолокација.

Интензитет

Интензитет звучног таласа се дефинише као енергија која се превози по јединици времена и по јединици површине. Енергија по јединици времена је снага. Стога је интензитет звука снага по јединици површине и долази у вату / м ² или В / м ² . Људско ухо интензитет таласа доживљава као гласноћу: што је гласнија, музика ће бити гласнија.

Ухо открива интензитет између 10 ^-12 и 1 В / м ² без осећаја бола, али однос између интензитета и опаженог волумена није линеаран. Да бисте произвели звук двоструко јачег, потребан је талас са 10 пута већим интензитетом.

Ниво јачине звука је релативни интензитет који се мери на логаритамској скали у којој је јединица бел, а чешће децибел или децибел.

Ниво јачине звука је означен као β и дат је у децибелима са:

β = 10 лог (И / И _о )

Где је интензитет звука, а _о је референтни ниво који се узима као праг слуха при 1 к 10 ^-12 В / м ² .

Практични експерименти за децу

Деца могу пуно научити о механичким таласима док се забаве. Ево неколико једноставних експеримената како бисте видели како таласи преносе енергију, коју је могуће искористити.

-Експеримент 1: Интерфон

материјали

- 2 пластичне чаше чија је висина много већа од пречника.

- Између 5 и 10 метара јаке жице.

Ставити у праксу

Пробушите базу наочала како бисте провукли нит кроз њих и причврстите је чвором на сваком крају да конац не би испао.

- Сваки играч узме чашу и одлазе равно у линију, осигуравајући да нит остане затегнута.

- Један од играча користи своју чашу као микрофон и разговара са партнером, који, наравно, мора да стави чашу на ухо да би могао да је послуша. Нема потребе да вичете.

Слушалац ће одмах приметити да се звук гласа његовог партнера преноси кроз напету нит. Ако нит није напета, глас вашег пријатеља се неће чути јасно. Нити ћете чути ништа ако ставите нит директно у ухо, чаша је неопходна за слушање.

Објашњење

Из претходних одељка знамо да напетост у струни утиче на брзину таласа. Пренос зависи и од материјала и пречника посуда. Када партнер говори, енергија његовог гласа преноси се у ваздух (уздужни талас), одатле до дна чаше и затим као попречни талас кроз нит.

Конац преноси талас до дна посуде слушаоца, која вибрира. Ова се вибрација преноси зраком и мозак их перципира и тумачи.

-Експеримент 2: Посматрање таласа

Ставити у праксу

Клизава, флексибилна спирална опруга помоћу које се могу формирати различите врсте таласа, лежи на столу или равној површини.

Слика 6. Игра с спиралном опругом која је позната и као гипка. Извор: Пикабаи.

Лонгитудинални таласи

Крајеви се држе, по један у свакој руци. Затим се примењује мали хоризонтални импулс на један крај и опажа се импулс који се шири дуж опруге.

Такође можете поставити један крај гипке фиксиран на носач или замолити партнера да га држи, довољно га развлачећи. На овај начин постоји више времена за посматрање како се сабијања и ширења прате једна за другом брзо се ширећи с једног краја пролећа на други, као што је описано у претходним одељцима.

Попречни таласи

Клизави се такође држи на једном крају, довољно га развлачећи. Слободни крај се лагано тресе дрхтањем према горе и доле. Примећује се да синусоидни пулс путује дуж пролећа и назад.

Референце

1. Гианцоли, Д. (2006). Физика: Начела примјене. Шесто издање. Прентице Халл. 308- 336.
2. Хевитт, Паул. (2012). Концептуална физичка наука. Пето издање. Пеарсон. 239-244.
3. Рек, А. (2011). Основе физике. Пеарсон. 263-273.