Fizyka_modul_04.pdf

FIZYKA

dla

INŻYNIERÓW

Zbigniew Kąkol

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej

Akademia Górniczo-Hutnicza

Kraków 2006

MODUŁ IV

Moduł IV – Fale w ośrodkach sprężystych

13 Fale w ośrodkach sprężystych

Ruch falowy jest bardzo rozpowszechniony w przyrodzie. Na co dzień doświadczamy

obecności fal dźwiękowych i fal świetlnych. Powszechnie też wykorzystujemy fale

elektromagnetyczne do przekazywania informacji za pomocą radia, telewizji czy

przenośnych telefonów.

Fale dźwiękowe czy też fale jakie obserwujemy na powierzchni wody posiadają jednak

inną naturę niż fale elektromagnetyczne. Światło będące przykładem fali

elektromagnetycznej rozchodzi się nie tylko w ośrodkach materialnych ale również

w próżni. Przykładem jest docierające do nas światło słoneczne. Natomiast do

rozchodzenia się fal dźwiękowych niezbędny jest ośrodek materialny.

W tym rozdziale poznamy właściwości fal powstających w ośrodkach sprężystych (takich

jak fale dźwiękowe), które nazywamy falami mechanicznymi .

13.1 Fale mechaniczne

Jeżeli wychylimy jakiś fragment ośrodka sprężystego z jego położenia równowagi to

w następstwie będzie on wykonywał drgania wokół tego położenia. Te drgania, dzięki

właściwościom sprężystym ośrodka, są przekazywane na kolejne części ośrodka, które

zaczynają drgać. W t

en sposób zaburzenie przechodzi przez cały ośrode

Definicja

Ruchem falowym nazywamy rozchodzenie się zaburzenia w ośrodku.

przykładem są tu fale na powierzchni wody: przedmioty pływające na

powierzchni wody wykonują ruch drgający w rytm fal natomiast same fale rozchodzą się

ruchem jednostajnym.

Fala dobiegając do danego punktu ośrodka wprawia go w ruch drgaj cy przekazując mu

energię, która jest dostarczana przez źródło drgań. Energ

ia fal to

rzekazywać energię na duże

odległości przy czym cechą charakterystyczną jest to, że fale przenoszą energię poprzez

ośrodek dzięki przesuwaniu się zaburzenia w oś dku, a nie dzięki ruchowi postępowemu

samego ośrodka. Jak wynika z powyższego, do rozchodzenia się fal mechanicznych

potrzebny jest ośrodek. To właściwości sprężyste ośrodka decydują o prędkości

rozchodzenia się fali.

energia kinetyczna

i potencjalna cząstek ośrodka. Za pomocą fal można p

13.1.1 Rodzaje fal

i fale poprzeczne .

ala jest podłużna gdy kierunek drgań cząstek ośrodka jest równoległy do kierunku

rozchodzenia się fali i zarazem kierunku transportu energii (rysunek 13.1). Przykładem są

fale dźwiękowe w powietrzu czy też drgania naprzemiennie ściskanej i rozciąganej

ężyny.

spr

152

Zwróćmy uwagę, że sam ośrodek nie przesuwa się, a jedynie jego elementy wykonują

drgania. Dobrym

Ze względu na kierunek drgań cząstek ośrodka względem kierunku rozchodzenia się

fale dzielimy na fale podłużne

Moduł IV – Fale w ośrodkach sprężystych

Rys. 13.1. Fala podłużna

Fala jest poprzeczna gdy kierunek drgań cząstek o odka jest prostopadły do kierunku

rozchodzenia się fali i zarazem kierunku transportu energii (rysunek 13.2). Przykładem

mogą tu być drgania naprężonego sznura, którego końcem poruszamy cyklicznie w górę

w dół.

śr

Rys. 13.2. Fala poprzeczna

i fala harmoniczna .

Impuls falowy powstaje gdy źródłem jest jednorazowe zaburzenie w ośrodku: na przykład

gdy wrzucimy kamień do wody lub gdy jednorazowo odchylimy koniec napiętej liny

(rysunek 13.3).

Rys. 13.3. Impuls falowy

Fala harm

oniczna powstaje gdy źródło wykonuje drgania harmoniczne: na przykład gdy

yklicz

nie wychylamy koniec napiętej liny (rysunek13.4)

153

Możemy również dokonać podziału ze wzgl du na rodzaj zaburzenia. Ważnymi

przykładami są impuls falowy

Moduł IV – Fale w ośrodkach sprężystych

Rys. 13.4. Fala harmoniczna

Wprowadzimy teraz pojęcie czoła fali i promienia fali . Jeżeli w przestrzeni rozchodzi

łączącą punkty, do których

w tej właśnie chwili dotarła ta fala. Przesuwanie się tej powierzchni obrazuje rozchodzenie

się fali. Właśnie taką powierzchnię nazywamy czołem fali (lub powierzchnią f

a każdą linię prostą, prostopadłą do czoła fali, wskazującą kierunek ruchu fali nazywamy

alową),

promieniem fali.

Ze względu na ks

ztałt powierzchni falowej możemy wyróżnić fale płaskie

i fale

kuliste .

W przypadku fal płaskich zaburzenie rozchodzi się w jednym kierunku, a powierzchnie

falowe są płaszczyznami prostopadłymi do kierunku ruchu fali tak jak na rysunku 13.5

poniżej.

Rys. 13.5. Powierzchnie falowe (płaszczyzny) i promienie fali płaskiej

Dla fal kulistych zaburzenie rozchodzi się ze źródła we wszystkich kierunkach,

a powierzchnie falowe są sferami jak na rysunku 13.6 poniżej.

Rys. 13.6. Fala kulista rozc

hodząca się ze źródła Z ; wycinki powłok s

ferycznych przedstawiają

powierzchnie falowe

154

się fala to możemy w każdej chwili utworzyć powierzchnię

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: