Fale mechaniczne (ruch drgający, fale harmoniczne itp.)

Ruch drgający: Jeżeli punkt materialny porusza się ruchem okresowym ( powtarza się w regularnych odstępach czasu ) tam i z powrotem po tej samej drodze, to taki ruch nazywamy drgającym ( wibracyjny, oscylacyjny )

Prosty oscylator harmoniczny: ciało o masie m przyczepione do idealnej sprężyny o współczynniku sprężystości k i mogące się poruszać po idealnie gładkiej powierzchni F = 0
Prawo Hooke’a Jeżeli ciało jest przesunięte w lewo to siła działa na prawo ( i odwrotnie) i wynosi zawsze F = - kx

Parametry ruchu drgającego:
- przemieszczenie liniowe, kątowe - przemieszczenie to odległość liniowa drgającego punktu materialnego od położenia równowagi w dowolnej chwili.
- okres - okresem ruchu harmonicznego nazywamy czas jednego pełnego drgania, czas powtarzania się każdego pełnego przemieszczenia, albo cyklu
- częstotliwość - częstotliwością ruchu f, D (mi) nazywa się liczbę drgań ( lub cykli ) na jednostkę czasu
D = 1/T D = 1/S = S –1 => 1Hz
ш = 2Л/T [Hz] => częstotliwość kątowa

Ruch harmoniczny: to taki, w którym wychylenia w obydwie strony sa jednakowe i odbywają się w tym samym czasie.

Parametry ruchu drgającego:
x – droga [m]
A – amplituda [m]
T – okres [s]
F – częstotliwość [ 1/T = 1/S = S –1 = Hz ]

Rezonans: gdy częstotliwość siły wymuszającej ruch jest równa częstotliwości swobodnej danego ciała drgającego to uzyskujemy zjawisko rezonansu, czyli maksymalnej amplitudy drgań trwającej w pewnym czasie. Gdy ciało rezonuje nie działa na nie bezpośrednio siła zewnętrzna, a częstotliwość jego drgań jest częstotliwością własną układu

Drgania wymuszone: maja taką częstotliwość z jaką działa siła zewnętrzna.

D zew < D własna układu = ruch o różnych amplitudach
D zew > D własna układu = ruch o różnych amplitudach
D zew = D własna układu → rezonans (amplituda rośnie z czasem liniowo i może osiągnąć bardzo dużą wartość )

Fale mechaniczne
Źródło fali to drgania materii
Rozchodzą się tylko w ośrodkach materialnych
W ośrodkach materialnych fala mechaniczna porusza się tym szybciej im bardziej gęsty ośrodek

Klasyfikacja fal
1. Podział ze względu na kąt jaki tworzy kierunek ruchu materii z kierunkiem rozchodzenia się samych fal.
a) poprzeczne – gdy ruchy cząsteczek materii przenoszącej fale są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali
b) podłużne - gdy drgania odbywają się wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali.

2. Podział w zależności od liczby wymiarów niezbędnych do opisu kierunku rozchodzenia się energii.
a) jednowymiarowe – rozchodzące się wzdłuż linii
b) dwuwymiarowe – fala kolista
c) Trójwymiarowe – rozchodzące się w przestrzeni, kształt kulisty wypływający radialnie z jednego punktu

3. Ze względu na zachowanie się cząsteczek materii powodującej fale, w okresie, w którym ta fala rozchodzi się w ośrodku
a) impuls – (pojedyncza fala, gdy każda cząstka pozostaje w spoczynku dopóty dopóki nie dobiegnie do niej impuls, porusza się przez krótki czas i osiąga stan bezruchu)
b) ciąg fal – stały lub okresowy

4. Ze względu na kształt powierzchni fali ( kształt powierzchni fali zależy od ilości wymiarów)
a) fala dwuwymiarowa – płaska
b) fala trójwymiarowa – płaska, kulista

Długość fali: to droga którą fala przebywa w czasie, gdy element drgający wykona jedno pełne drgnięcie. Długość fali jest to odległość między punktami o tej samej fazie drgań

Właściwości fali
- zawsze istnieje źródło, z którego rozchodzą się fale
- te same wielkości charakteryzują ruch falowy, niezależnie od jego rodzaju są nimi:
a) długość fali
b) częstotliwość
c) okres
d) amplituda
e) prędkość rozchodzenia się fali
- fale mogą ulegać zjawiskom charakterystycznym dla nich:
a) zjawisko załamania, zmiana kierunku fali z jego przejścia z jednego ośrodka na drugi
b) zjawisko dyfrakcji (ugięcia fali)
c) zjawisko interferencji czyli nakładania się fal
-w ruchu falowym następuje zawsze przenoszenie energii

Zjawisko odbicia fali: kąt padania = kątowi odbicia

Prawo odbicia: Kąt padania zawarty pomiędzy kierunkiem padającej fali, a normalną do powierzchni padania, a kąt odbicia to kąt pomiędzy N do powierzchni w punkcie padania z kierunkiem fali w odbiciu

Zasada Huygensa: każdy punkt ośrodka po dojściu do niego zaburzenia staje się źródłem fali cząstkowej, powierzchnia styczna do wszystkich fal cząstkowych stanowi pierwotna powierzchnię falową.