Gelombang mekanikal, sifat, formula, jenis

A Gelombang mekanikal Ia adalah gangguan yang memerlukan persekitaran fizikal untuk menyebarkan. Contoh terdekat adalah dalam bunyi, mampu menghantar melalui gas, cecair atau pepejal.

Gelombang mekanikal yang lain yang terkenal adalah yang berlaku apabila tali tegang alat muzik ditekan. Atau undulations bulat biasanya yang menyebabkan batu dibuang ke dalam kolam.

Rajah 1. Tali tegang alat muzik bergetar dengan gelombang silang. Sumber: Pixabay.

Gangguan perjalanan melalui medium menghasilkan pelbagai anjakan dalam zarah yang mengarangnya, bergantung pada jenis gelombang. Apabila gelombang berlalu, setiap zarah medium melakukan pergerakan berulang yang secara ringkas memisahkannya dari kedudukan keseimbangannya.

Tempoh gangguan bergantung pada tenaganya. Dalam pergerakan undulatory, tenaga adalah apa yang tersebar dari satu sisi medium ke yang lain, kerana zarah -zarah yang bergetar tidak pernah bergerak jauh dari tempat asal mereka.

Gelombang dan tenaga yang diangkut dapat bergerak jarak jauh. Apabila gelombang hilang, ia adalah kerana tenaganya akhirnya menghilangkan di tengah, menjadi tenang dan senyap seperti sebelum gangguan.

[TOC]

Jenis gelombang mekanikal

Gelombang mekanikal diklasifikasikan kepada tiga kumpulan utama utama:

- Gelombang salib.

- Gelombang membujur.

- Gelombang cetek.

Gelombang salib

Dalam gelombang melintang, zarah bergerak tegak ke arah penyebaran. Contohnya zarah -zarah tali dari angka berikut julat secara menegak manakala gelombang bergerak dari kiri ke kanan:

Rajah 2. Gelombang transversal pada tali. Arah penyebaran gelombang dan arah pergerakan zarah individu berserenjang. Sumber: Sharon Bewick [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0)]

Gelombang membujur

Dalam gelombang membujur arah penyebaran dan arah pergerakan zarah selari.

Rajah 3. Gelombang membujur. Sumber: Polpol [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/lesen/by-sa/3.0)]

Gelombang cetek

Dalam gelombang laut, gelombang membujur dan gelombang melintang digabungkan di permukaan, oleh itu mereka adalah gelombang cetek, bergerak di sempadan antara dua cara yang berbeza: air dan udara, seperti yang dapat dilihat dalam angka berikut.

Rajah 4. Gelombang laut yang menggabungkan gelombang longitudinal dan melintang. Sumber: Pixabay yang diubahsuai.

Semasa memecahkan ombak di pantai, komponen membujur mendominasi. Oleh itu diperhatikan bahawa alga yang dekat dengan pantai mempunyai pergerakan mundur dan mundur.

Contoh pelbagai jenis gelombang: pergerakan seismik

Semasa gempa bumi terdapat pelbagai jenis gelombang yang bergerak di dunia, termasuk gelombang membujur dan gelombang melintang.

Gelombang seismik membujur dipanggil gelang P, sementara melintang adalah gelombang S.

Denominasi P adalah disebabkan oleh hakikat bahawa mereka adalah gelombang tekanan dan juga utama ketika mereka tiba terlebih dahulu, sementara transversal adalah s oleh "ricih" atau ricih dan juga menengah, kerana mereka tiba setelah p.

Ciri -ciri dan sifat

Gelombang kuning dalam Rajah 2 adalah gelombang berkala, yang terdiri daripada gangguan yang sama yang bergerak dari kiri ke kanan. Perhatikan bahawa begitu banyak ke sebagai b Mereka mempunyai nilai yang sama di setiap kawasan gelombang.

Gangguan gelombang berkala diulangi dalam masa dan di ruang angkasa, mengamalkan bentuk lengkung sinusoidal yang dicirikan dengan mempunyai rabung atau puncak, yang merupakan titik tertinggi, dan lembah di mana titik terendah adalah.

Contoh ini akan mempelajari ciri -ciri yang paling penting dalam gelombang mekanikal.

Amplitud gelombang dan panjang gelombang

Mengandaikan bahawa gelombang dalam ara. Garis ini akan bertepatan dengan kedudukan di mana tali berada di tempat rehat.

Boleh melayani anda: BTU (Unit Thermal): Kesamaan, Kegunaan, Contoh

Nilai A dipanggil amplitud gelombang dan biasanya ditolak dengan huruf a. Sebaliknya, jarak antara dua lembah atau dua rabung berturut -turut adalah panjang gelombang L dan sepadan dengan magnitud yang dipanggil b Dalam Rajah 2.

Tempoh dan kekerapan

Menjadi fenomena berulang dari masa ke masa, gelombang mempunyai tempoh t ia.

Kekerapan f mempunyai unit dalam sistem antarabangsa pada masa yang terbalik: s^-1 atau Hertz, sebagai penghormatan kepada Heinrich Hertz, yang menemui gelombang radio pada tahun 1886. 1 Hz ditafsirkan sebagai kekerapan bersamaan dengan kitaran atau getaran sesaat.

Kelajuan v gelombang mengaitkan kekerapan kepada panjang gelombang:

V = λ.F = l/t

Kekerapan sudut

Konsep lain yang berguna ialah kekerapan sudut yang diberikan oleh:

Ω = 2πf

Kelajuan gelombang mekanikal berbeza bergantung pada medium di mana mereka bergerak. Sebagai peraturan, gelombang mekanikal lebih cepat apabila mereka bergerak melalui pepejal, dan lebih perlahan dalam gas, termasuk atmosfera.

Secara umum, kelajuan pelbagai jenis gelombang mekanikal dikira dengan ungkapan berikut:

Sebagai contoh, untuk gelombang yang merebak di sepanjang tali, kelajuan diberikan oleh:

Di mana t adalah ketegangan dalam tali dan μ adalah ketumpatan massa linear, yang dalam unit sistem antarabangsa datang dalam kg/m.

Ketegangan dalam tali cenderung kembali ke kedudukan keseimbangannya, sementara ketumpatan massa menghalangnya daripada berlaku dengan segera.

Formula dan persamaan

Persamaan berikut berguna dalam resolusi latihan yang mengikuti:

Kekerapan sudut:

Ω = 2πf

Tempoh:

T = 1/f

Ketumpatan linear massa:

 Kelajuan Gelombang:

V = λ.F

V = λ/t

V = λ/2π

Kelajuan gelombang yang merebak pada tali:

Contoh yang diselesaikan

Latihan 1

Gelombang sinusoidal yang ditunjukkan dalam Rajah 2 bergerak ke arah paksi x positif dan mempunyai kekerapan 18.0 Hz. Diketahui bahawa 2a = 8.26 cm dan b/2 = 5.20 cm. Cari:

a) amplitud.

b) panjang gelombang.

c) Tempoh.

d) kelajuan gelombang.

Penyelesaian

a) amplitud adalah a = 8.26 cm/2 = 4.13 cm

b) Panjang gelombang l = b = 2 x20 cm = 10.4 cm.

c) Tempoh T adalah kebalikan kekerapan, oleh itu t = 1/18.0 Hz = 0.056 s.

d) Kelajuan gelombang adalah v = l.F = 10.4 cm . 18 Hz = 187.2 cm /s.

Latihan 2

Kawat panjang 75 cm nipis mempunyai jisim 16.5 g. Salah satu hujungnya ditetapkan untuk kuku, sementara yang lain mempunyai skru yang membolehkan anda menyesuaikan ketegangan dalam wayar. Kira:

a) kelajuan gelombang ini.

b) Ketegangan di Newton diperlukan untuk gelombang melintang yang panjang gelombangnya adalah 3.33 cm viber pada kadar 625 kitaran sesaat.

Penyelesaian

a) Menggunakan v = λ.F, sah untuk sebarang gelombang mekanikal dan menggantikan nilai berangka diperolehi:

V = 3.33 cm x 625 kitaran/kedua = 2081.3 cm/s = 20.8 m/s

b) Kelajuan gelombang yang merebak melalui tali adalah:

Di mana μ adalah ketumpatan massa linear, yang diberikan oleh:

Voltan T dalam tali diperoleh dengan menaikkannya di kedua -dua belah persamaan dan penjelasan:

T = v².μ = 20.8² . 2.2 x 10^-6 N = 9.52 x 10^-4 N.

Suara: Gelombang membujur

Suara adalah gelombang membujur, sangat mudah untuk digambarkan. Untuk ini, hanya satu yang diperlukan Slinky, Dok helical yang fleksibel dengan banyak eksperimen dapat dilakukan untuk menentukan bentuk gelombang.

Ia boleh melayani anda: pengurangan vektor: kaedah grafik, contoh, latihan

Gelombang membujur terdiri daripada nadi yang memampatkan dan mengembang medium secara bergantian. Kawasan termampat dipanggil "mampatan" dan kawasan di mana spiral spiral lebih dipisahkan adalah "pengembangan" atau "rarefaction". Kedua -dua kawasan bergerak di sepanjang paksi paksi slinky dan membentuk gelombang membujur.

Rajah 5. Gelombang membujur menyebar di sepanjang dok heliks. Sumber: Diri Diri.

Begitu juga sebagai sebahagian daripada dok dimampatkan dan yang lain terbentang apabila tenaga bergerak di sebelah gelombang, bunyi memampatkan bahagian udara yang mengelilingi sumber yang memancarkan gangguan. Atas sebab itu ia tidak dapat tersebar dalam vakum.

Untuk gelombang membujur, parameter yang diterangkan di atas sama sah untuk gelombang berkala melintang: amplitud, panjang gelombang, tempoh, kekerapan dan kelajuan gelombang.

Rajah 5 menunjukkan panjang gelombang gelombang membujur yang bergerak di sepanjang dok heliks.

Di dalamnya, dua mata yang terletak di tengah -tengah dua tekanan berturut -turut telah dipilih, untuk menunjukkan nilai panjang gelombang.

Mampatan adalah bersamaan dengan rabung dan ekspansi adalah lembah dalam gelombang melintang, oleh itu gelombang bunyi juga boleh diwakili oleh gelombang sinusoidal.

Ciri -ciri Bunyi: Kekerapan dan keamatan

Bunyi adalah sejenis gelombang mekanikal dengan beberapa sifat yang sangat istimewa, yang membezakannya dari contoh -contoh yang telah kita lihat setakat ini. Seterusnya kita akan melihat sifatnya yang paling relevan.

Kekerapan

Kekerapan bunyi dilihat oleh telinga manusia sebagai bunyi akut (frekuensi tinggi) atau serius (frekuensi rendah).

Julat kekerapan yang boleh didengar di telinga manusia adalah antara 20 dan 20.000 Hz. Di atas 20.000 Hz adalah bunyi yang disebut ultrasound dan di bawah infrasound, frekuensi yang tidak dapat didengar untuk manusia, tetapi anjing dan haiwan lain dapat melihat dan menggunakan.

Contohnya, kelawar memancarkan gelombang ultrasound dengan hidung mereka untuk menentukan lokasi mereka dalam kegelapan dan juga sebagai komunikasi.

Haiwan ini mempunyai sensor yang mereka terima gelombang yang dicerminkan dan entah bagaimana mentafsirkan masa kelewatan antara gelombang yang dipancarkan dan gelombang yang dipantulkan dan perbezaan kekerapan dan intensiti mereka. Dengan data ini, mereka menyimpulkan jarak yang mereka jalani, dan dengan cara ini mereka dapat mengetahui di mana serangga dan terbang di antara retak gua yang tinggal.

Mamalia laut seperti ikan paus dan lumba -lumba mempunyai sistem yang sama: mereka mempunyai organ khusus yang penuh lemak di kepala mereka, yang mana mereka memancarkan bunyi, dan sensor yang sepadan di rahang mereka yang mengesan bunyi yang dicerminkan. Sistem ini dikenali sebagai echolocation.

Intensiti

Keamatan gelombang bunyi ditakrifkan sebagai tenaga yang diangkut setiap unit masa dan seunit kawasan. Tenaga per unit masa adalah kuasa. Oleh itu, keamatan bunyi adalah kuasa per unit kawasan dan datang dalam watt/m² atau w/m². Telinga manusia melihat keamatan gelombang sebagai kelantangan: semakin banyak jumlah muzik, semakin sengit.

Telinga mengesan intensiti antara 10^-12  dan 1 w/m² Tanpa rasa sakit, tetapi hubungan antara intensiti dan jumlah yang dirasakan tidak linear. Untuk menghasilkan bunyi dengan jumlah berganda, gelombang diperlukan dengan 10 kali lebih intensiti.

Ia boleh melayani anda: Pascal Tonel: Bagaimana Ia Berfungsi dan Eksperimen

Tahap intensiti bunyi adalah intensiti relatif yang diukur dalam skala logaritma, di mana unit adalah decibel atau decibelum yang indah dan paling kerap.

Tahap intensiti bunyi dilambangkan sebagai β dan diberikan dalam desibel oleh:

β = 10 log (i/i_{Sama ada})

Di mana saya adalah intensiti bunyi dan saya_{Sama ada} Ia adalah tahap rujukan yang diambil sebagai ambang pendengaran dalam 1 x 10^-12 W/m².

Eksperimen praktikal untuk kanak -kanak

Kanak -kanak dapat belajar banyak tentang gelombang mekanikal sambil bersenang -senang. Berikut adalah beberapa eksperimen mudah untuk memeriksa bagaimana gelombang menghantar tenaga, yang mungkin untuk memanfaatkan.

-Eksperimen 1: Interkom

Bahan

- 2 gelas plastik yang ketinggiannya jauh lebih besar daripada diameter.

- Antara 5 hingga 10 meter benang kuat.

Masukkan ke dalam latihan

Gerakkan pangkal kapal untuk melepasi benang melalui mereka dan selamatkannya dengan simpulan di setiap hujung supaya benang tidak keluar.

- Setiap pemain mengambil gelas dan bergerak jauh di garis lurus, memastikan benang itu tegang.

- Salah seorang pemain menggunakan gelasnya sebagai mikrofon dan bercakap dengan pasangannya, yang tentu saja mesti meletakkan gelasnya di telinganya untuk dapat mendengar. Tidak perlu berteriak.

Pendengar akan segera menyedari bahawa suara suara pasangannya dihantar melalui benang tegang. Sekiranya utasnya tidak tegang, suara rakannya tidak akan didengar dengan jelas. Tidak akan ada yang boleh didengar jika benang diletakkan terus di telinga, kaca diperlukan untuk mendengar.

Penjelasan

Kami tahu bahagian sebelumnya bahawa ketegangan dalam tali mempengaruhi kelajuan gelombang. Transmisi juga bergantung pada bahan dan diameter kapal. Apabila pasangan bercakap, tenaga suaranya dihantar ke udara (gelombang membujur), dari sana ke bahagian bawah kaca dan kemudian sebagai gelombang melintang melalui benang.

Benang memancarkan gelombang ke bahagian bawah kaca pendengar, yang bergetar. Getaran ini dihantar ke udara dan dilihat oleh gendang telinga dan ditafsirkan oleh otak.

-Eksperimen 2: Mengamati Gelombang

Masukkan ke dalam latihan

Meja rata atau permukaan memanjangkan a Slinky, Dok helical fleksibel yang mana pelbagai jenis gelombang dapat dibentuk.

Rajah 6. Spring Helical untuk Bermain, Dikenali Sebagai Slinky. Sumber: Pixabay.

Gelombang membujur

Hujungnya diadakan, satu di setiap tangan. Kemudian dorongan mendatar kecil digunakan pada satu hujung dan diperhatikan bagaimana nadi merebak di sepanjang musim bunga.

Anda juga boleh meletakkan salah satu hujung Slinky Tetap dengan sokongan atau minta pasangan untuk menahannya, meregangkannya cukup. Dengan cara ini terdapat lebih banyak masa untuk memerhatikan bagaimana pemampatan dan ekspansi berlaku menyebar dari satu hujung dok dengan cepat, seperti yang diterangkan dalam bahagian sebelumnya.

Gelombang salib

Slinky juga dipegang oleh salah satu hujungnya, meregangkannya cukup. Hujung percuma diberi sedikit goncang yang menggerakkannya ke atas dan ke bawah. Pulse sinusoidal diperhatikan untuk bergerak sepanjang musim bunga dan kembali.

Rujukan

1. Giancoli, d. (2006). Fizik: Prinsip dengan aplikasi. Edisi keenam. Prentice Hall. 308-336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Sains Fizikal Konsep. Edisi Kelima. Pearson. 239 - 244.
3. Rex, a. (2011). Asas Fizik. Pearson. 263-273.