Ruch drgający i fale mechaniczne – podstawowe pojęcia i przykłady

1. Przykłady ciał drgających

Ciała poruszające się ruchem drgającym:
- Wahadło
- Membrana głośnika
- Struny instrumentów muzycznych
- Struny głosowe

Wielkości charakteryzujące ruch drgający:
- Amplituda (A)
- Okres drgań (T)
- Częstotliwość drgań (f)

Wzory:

\( T = \frac{1}{f} \)

gdzie:
- \( T \) – okres drgań
- \( f \) – częstotliwość drgań

\( f = \frac{n}{t} \)

gdzie:
- \( f \) – częstotliwość drgań
- \( n \) – liczba drgań
- \( t \) – czas, w którym nastąpiły te drgania

2. Pojęcia
- Amplituda – największe wychylenie ciała z położenia równowagi.
- Okres drgań – czas, w którym następuje jedno pełne drganie.
- Częstotliwość – liczba drgań w ciągu jednej sekundy.
- Drgania gasnące – drganie, w którym energia ciała drgającego nie jest uzupełniana, co powoduje stopniowe zmniejszanie się amplitudy.
- Drganie wymuszone – drganie, w którym energia jest regularnie uzupełniana, dzięki czemu amplituda pozostaje stała.

3. Fale mechaniczne
Przykłady fal mechanicznych:
- Fale wytworzone na gumowym wężu
- Fale wytworzone na powierzchni wody
- Fale dźwiękowe

Wielkości charakterystyczne dla fal mechanicznych:
- Długość fali (λ) – droga, jaką przebywa fala w ciągu jednego pełnego okresu.

\[ \lambda = V \cdot T \quad \text{lub} \quad \lambda = \frac{V}{f} \]

gdzie:
- \( \lambda \) – długość fali
- \( V \) – szybkość fali
- \( T \) – okres drgań
- \( f \) – częstotliwość drgań
- Szybkość fali (V)
- Amplituda (A)

4. Fale wytworzone na powierzchni wody
Na powierzchni wody możemy wyróżnić dwa rodzaje fal:
- Fale koliste – wzbudzane przez źródło punktowe; fale koliste rozchodzą się we wszystkich kierunkach.
- Fale płaskie – wzbudzane za pomocą np. długiej listwy; fale płaskie rozchodzą się tylko w jednym kierunku.

5. Zjawiska, którym ulegają fale wytwarzane na powierzchni wody
- Odbicie fali – fala płaska wytworzona na powierzchni wody, natrafiając na przeszkodę, ulega odbiciu, zmieniając kierunek rozchodzenia się.

- Ugięcie fali (dyfrakcja) – fala płaska wytworzona na powierzchni wody, natrafiając na przeszkodę z jedną wąską szczeliną, ulega ugięciu (dyfrakcji) na niej; powstaje fala kolista rozchodząca się we wszystkich kierunkach.

- Zjawisko nakładania się fal (interferencja) – fala płaska na powierzchni wody, natrafiając na przeszkodę z dwoma wąskimi szczelinami, ulega ugięciu (dyfrakcji) na nich; powstają dwie koliste fale rozchodzące się we wszystkich kierunkach, które wzajemnie nakładają się na siebie (interferują ze sobą).

Punkty maksymalnego wzmocnienia powstają w wyniku interferencji fal, gdy fale napotykają się fazami zgodnymi (grzbiet jednej fali z grzbietem drugiej, a dolina jednej z doliną drugiej).

Punkty maksymalnego osłabienia powstają, gdy fale napotykają się fazami przeciwnymi (grzbiet jednej fali z doliną drugiej).

6. Fale dźwiękowe
Zakres słyszalny dla człowieka:
Człowiek słyszy dźwięki w zakresie częstotliwości od 20 do 20 000 Hz.

Cechy mierzalne i fizyczne dźwięku:
- Częstotliwość – duża częstotliwość dźwięku oznacza, że słyszany dźwięk jest wysoki; mała częstotliwość – dźwięk niski.
- Poziom natężenia dźwięku – im większa energia przenoszona przez falę dźwiękową, tym głośniejszy jest słyszany dźwięk. Głośność dźwięku wyrażamy w decybelach (dB) (do 90 dB dźwięk nie jest szkodliwy dla człowieka).
- Stopień skomplikowania dźwięku (barwa dźwięku)

Prędkość rozchodzenia się dźwięku:
- W powietrzu – 340 m/s
- W wodzie – 1450 m/s