Урок физики по теме “Механические волны. Виды волн”. 9-й класс

Представить, что такое механические волны, можно, бросив в воду камень. Круги, возникающие на ней и являющиеся чередующимися впадинами и гребнями, – это пример механических волн. В чем их сущность? Механические волны – это процесс распространения колебаний в упругих средах.

Волны на поверхностях жидкостей

Такие механические волны существуют благодаря воздействию на частицы жидкости сил межмолекулярного взаимодействия и тяжести. Люди уже давно изучают это явление. Наиболее примечательными являются океанские и морские волны. По мере увеличения скорости ветра они изменяются, а их высота растет. Также усложняется и форма самих волн. В океане они могут достигать устрашающих масштабов. Одним из самых наглядных примеров силы являются цунами, сметающие все на своем пути.

Энергия морских и океанских волн

image Достигая берега, морские волны при резком изменении глубины возрастают. Они иногда достигают высоты в несколько метров. В такие моменты кинетическая энергия колоссальной массы воды передается береговым препятствиям, которые под ее воздействием быстро разрушаются. Сила прибоя иногда достигает грандиозных значений.

Упругие волны

В механике изучают не только колебания на поверхности жидкости, но и так называемые упругие волны. Это возмущения, которые распространяются в разных средах под действием в них сил упругости. Такое возмущение представляет собой любое отклонение частичек данной среды от положения равновесия. Наглядным примером упругих волн является длинная веревка или резиновая трубка, прикрепленная одним из концов к чему-нибудь. Если ее туго натянуть, а затем боковым резким движением создать на втором (незакрепленном) ее конце возмущение, то можно увидеть, как оно по всей длине веревки «пробежит» до опоры и отразится назад.

Источник механических волн

image

Начальное возмущение приводит к возникновению в среде волны. Оно вызывается действием какого-то инородного тела, которое в физике называется источником волны. Им может быть рука человека, качнувшего веревку, или камешек, брошенный в воду. В том случае, когда действие источника имеет кратковременный характер, в среде часто возникает одиночная волна. Когда же «возмутитель» совершает длительные колебательные движения, волны начинают возникать одна за другой.

Условия возникновения механических волн

Такого рода колебания образуются не всегда. Необходимым условием для их появления является возникновение в момент возмущения среды препятствующих ему сил, в частности, упругости. Они стремятся сблизить соседние частицы, когда они расходятся, и оттолкнуть их друг от друга в момент сближения. Силы упругости, действуя на удаленные от источника возмущения частицы, начинают выводить их из равновесия. Со временем все частички среды вовлекаются в одно колебательное движение. Распространение таких колебаний и является волной.

Механические волны в упругой среде

В упругой волне существуют 2 вида движения одновременно: колебания частиц и распространение возмущения. Продольной называется механическая волна, частицы которой колеблются вдоль направления ее распространения. Поперечной называется волна, частицы среды которой колеблются поперек направления ее распространения.

Свойства механических волн

Возмущения в продольной волне представляют собой разрежения и сжатия, а в поперечной – сдвиги (смещения) одних слоев среды по отношению к другим. Деформация сжатия сопровождается появлением сил упругости. При этом деформация сдвига связана с появлением сил упругости исключительно в твердых телах. В газообразных и жидких средах сдвиг слоев этих сред не сопровождается возникновением упомянутой силы. Благодаря своим свойствам продольные волны способны распространяться в любых средах, а поперечные – исключительно в твердых.

Особенности волн на поверхности жидкостей

Волны на поверхности жидкости не продольные и не поперечные. Они имеют более сложный, так называемый продольно-поперечный характер. В этом случае частицы жидкости двигаются по окружности или по вытянутым эллипсам. Круговые движения частичек на поверхности жидкости, и особенно при больших колебаниях, сопровождаются их медленным, но непрерывным перемещением по направлению распространения волны. Именно эти свойства механических волн в воде обуславливают появление на берегу различных даров моря.

Частота механических волн

Если в упругой среде (жидкой, твердой, газообразной) возбудить колебание ее частиц, то вследствие взаимодействия между ними оно будет распространяться со скоростью u. Так, если в газообразной или жидкой среде будет находиться колеблющееся тело, то его движение начнет передаваться всем прилегающим к нему частичкам. Они будут вовлекать в процесс следующие и так далее. При этом абсолютно все точки среды станут совершать колебания одинаковой частоты, равной частоте колеблющегося тела. Она и является частотой волны. Другими словами, эту величину можно охарактеризовать как частоту колебаний точек в среде, где распространяется волна.

Сразу может быть непонятно, каким образом происходит этот процесс. С механическими волнами связывают перенос энергии колебательного движения от его источника к периферии среды. В ходе чего возникают так называемые периодические деформации, переносимые волной из одной точки в другую. При этом сами частички среды вместе с волной не перемещаются. Они колеблются рядом со своим положением равновесия. Именно поэтому распространение механической волны не сопровождается перенесением вещества из одного места в другое. У механических волн различная частота. Поэтому их поделили на диапазоны и создали специальную шкалу. Частота измеряется в герцах (Гц).

Основные формулы

Механические волны, формулы вычисления которых довольно просты, являются интересным объектом для изучения. Скорость волны (υ) – это скорость перемещения ее фронта (геометрическое место всех точек, к которым дошло колебание среды в данный момент):

υ = √G/ ρ,

где ρ – плотность среды, G – модуль упругости.

При расчете не стоит путать скорость механической волны в среде со скоростью движения частичек среды, которые вовлечены в волновой процесс. Так, к примеру, звуковая волна в воздухе распространяется со средней скоростью колебания его молекул в 10 м/с, в то время как скорость звуковой волны в нормальных условиях составляет 330 м/с.

Волновой фронт бывает разных видов, простейшими из которых являются:

• Сферический – вызывается колебаниями в газообразной или жидкой среде. Амплитуда волны при этом убывает при удалении от источника обратно пропорционально квадрату расстояния.

• Плоский – представляет собой плоскость, которая перпендикулярна направлению распространения волны. Он возникает, например, в закрытом поршневом цилиндре, когда тот совершает колебательные движения. Плоская волна характеризуется практически неизменной амплитудой. Ее незначительное уменьшение при удалении от источника возмущения связано со степенью вязкости газообразной или жидкой среды.

Длина волны

Под длиной волны понимают расстояние, на которое будет перемещен ее фронт за время, которое равняется периоду колебания частичек среды:

λ = υT = υ/v = 2πυ/ ω,

где Т – период колебания, υ – скорость волны, ω – циклическая частота, ν – частота колебания точек среды.

Поскольку скорость распространения механической волны находится в полной зависимости от свойств среды, то ее длина λ во время перехода из одной среды в иную изменяется. При этом частота колебания ν всегда остается прежней. Механические и электромагнитные волны схожи тем, что при их распространении осуществляется передача энергии, но не происходит перенос вещества.

Інформація про новину

  • Переглядів: 3045
  • Автор: admin
  • Дата: 14-10-2017, 17:42

14-10-2017, 17:42

Возникновение и распространение механических волн. Физические величины, характеризующие волны

Категорія: Фізика

В курсе физики 7 класса вы изучали механические колебания. Часто бывает так, что, возникнув в одном месте, колебания распространяются в соседние области пространства. Вспомните, например, распространение колебаний от брошенного в воду камешка или колебания земной коры, распространяющиеся от эпицентра землетрясения. В таких случаях говорят о волновом движении — волнах (рис. 17.1). Из этого параграфа вы узнаете об особенностях волнового движения.

Создаем механические волны

Возьмем довольно длинную веревку, один конец которой прикрепим к вертикальной поверхности, а второй будем двигать вниз-вверх (колебать). Колебания от руки распространятся по веревке, постепенно вовлекая в колебательное движение все более удаленные точки, — по веревке побежит механическая волна (рис. 17.2).

Механической волной называют распространение колебаний в упругой среде*.

Теперь закрепим горизонтально длинную мягкую пружину и нанесем по ее свободному концу серию последовательных ударов — в пружине побежит волна, состоящая из сгущений и разрежений витков пружины (рис. 17.3).

Описанные выше волны можно увидеть, однако большинство механических волн невидимы, например звуковые волны (рис. 17.4).

На первый взгляд, все механические волны абсолютно разные, но причины их возникновения и распространения одинаковы.

Выясняем, как и почему в среде распространяется механическая волна

Любая механическая волна создается колеблющимся телом — источником волны. Осуществляя колебательное движение, источник волны деформирует ближайшие к нему слои среды (сжимает и растягивает их либо смещает). В результате возникают силы упругости, которые действуют на соседние слои среды и заставляют их осуществлять вынужденные колебания. Эти слои, в свою очередь, деформируют следующие слои и заставляют их колебаться. Постепенно, один за другим, все слои среды вовлекаются в колебательное движение — в среде распространяется механическая волна.

Рис. 17.6. В продольной волне слои среды колеблются вдоль направления распространения волны

Различаем поперечные и продольные механические волны

Сравним распространение волны вдоль веревки (см. рис. 17.2) и в пружине (см. рис. 17.3).

Отдельные части веревки движутся (колеблются) перпендикулярно направлению распространения волны (на рис. 17.2 волна распространяется справа налево, а части веревки движутся вниз-вверх). Такие волны называют поперечными (рис. 17.5). При распространении поперечных волн происходит смещение одних слоев среды относительно других. Деформация смещения сопровождается возникновением сил упругости только в твердых телах, поэтому поперечные волны не могут распространяться в жидкостях и газах. Итак, поперечные волны распространяются только в твердых телах.

При распространении волны в пружине витки пружины движутся (колеблются) вдоль направления распространения волны. Такие волны называют продольными (рис. 17.6). Когда распространяется продольная волна, в среде происходят деформации сжатия и растяжения (вдоль направления распространения волны плотность среды то увеличивается, то уменьшается). Такие деформации в любой среде сопровождаются возникновением сил упругости. Поэтому продольные волны распространяются и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах.

Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный продольно-поперечный характер, при этом частицы жидкости движутся по эллипсам. В этом легко убедиться, если бросить в море легкую щепку и понаблюдать за ее движением на поверхности воды.

Выясняем основные свойства волн

1. Колебательное движение от одной точки среды к другой передается не мгновенно, а с некоторым опозданием, поэтому волны распространяются в среде с конечной скоростью.

2. Источник механических волн — колеблющееся тело. При распространении волны колебания частей среды — вынужденные, поэтому частота колебаний каждой части среды равна частоте колебаний источника волны.

3. Механические волны не могут распространяться в вакууме.

4. Волновое движение не сопровождается переносом вещества — части среды всего лишь колеблются относительно положений равновесия.

5. С приходом волны части среды приходят в движение (приобретают кинетическую энергию). Это означает, что при распространении волны происходит перенос энергии.

Перенос энергии без переноса вещества — важнейшее свойство любой волны.

Вспомните распространение волн по поверхности воды (рис. 17.7). Какие наблюдения подтверждают основные свойства волнового движения?

Вспоминаем физические величины, характеризующие колебания

Волна — это распространение колебаний, поэтому физические величины, характеризующие колебания (частота, период, амплитуда), также характеризуют и волну. Итак, вспомним материал 7 класса:

 

Физические величины, характеризующие колебания

Частота колебаний ν

Период колебаний T

Амплитуда колебаний A

Определе

ние

количество колебаний за единицу времени

время одного колебания

максимальное расстояние, на которое отклоняется точка от положения равновесия

Формула для определения

N — количество колебаний за интервал времени t

Единица в СИ

секунда (с)

метр (м)

Обратите внимание! При распространении механической волны все части среды, в которой распространяется волна, колеблются с одинаковой частотой (ν), которая равна частоте колебаний источника волны, поэтому период

колебаний (T) для всех точек среды тоже одинаков, ведь

А вот амплитуда колебаний постепенно уменьшается с отдалением от источника волны.

Выясняем длину и скорость распространения волны

Вспомните распространение волны вдоль веревки. Пусть конец веревки осуществил одно полное колебание, то есть время распространения волны равно одному периоду (t = T). За это время волна распространилась на некоторое расстояние λ (рис. 17.8, а). Это расстояние называют длиной волны.

Длина волны λ — расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду T:

где v — скорость распространения волны. Единица длины волны в СИ — метр:

Нетрудно заметить, что точки веревки, расположенные друг от друга на расстоянии одной длины волны, колеблются синхронно — имеют одинаковую фазу колебаний (рис. 17.8, б, в). Например, точки A и B веревки одновременно движутся вверх, одновременно достигают гребня волны, затем одновременно начинают двигаться вниз и т. д.

Рис. 17.8. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за время одного колебания (это также расстояние между двумя ближайшими гребнями или двумя ближайшими впадинами)

Воспользовавшись формулой λ = vT, можно определить скорость распространения

получим формулу взаимосвязи длины, частоты и скорости распространения волны — формулу волны:

волны:

Если волна переходит из одной среды в другую, скорость ее распространения изменяется, а частота остается неизменной, поскольку частота определяется источником волны. Таким образом, согласно формуле v = λν при переходе волны из одной среды в другую длина волны изменяется.

Формула волны

Учимся решать задачи

Задача. Поперечная волна распространяется вдоль шнура со скоростью 3 м/с. На рис. 1 показано положение шнура в некоторый момент времени и направление распространения волны. Считая, что сторона клетки равна 15 см, определите:

1) амплитуду, период, частоту и длину волны;

2) направление, в котором в данный момент времени движутся точки K, В и С шнура.

Анализ физической проблемы, решение

Волна поперечная, поэтому точки шнура колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (смещаются вниз-вверх относительно некоторых положений равновесия).

1) Из рис. 1 видим, что максимальное отклонение от положения равновесия (амплитуда A волны) равно 2 клеткам. Значит, A = 2 15 см = 30см.

Расстояние между гребнем и впадиной — 60 см (4 клетки), соответственно расстояние между двумя ближайшими гребнями (длина волны) вдвое больше. Значит, λ = 2 · 60 см = 120 см = 1,2м.

Частоту ν и период T волны найдем, воспользовавшись формулой волны:

2) Чтобы выяснить направление движения точек шнура, выполним дополнительное построение. Пусть за небольшой интервал времени Δt волна сместилась на некоторое небольшое расстояние. Поскольку волна смещается вправо, а ее форма со временем не изменяется, точки шнура займут положение, показанное на рис. 2 пунктиром.

Волна поперечная, то есть точки шнура движутся перпендикулярно направлению распространения волны. Из рис. 2 видим, что точка K через интервал времени Δt окажется ниже своего начального положения, следовательно, скорость ее движения направлена вниз; точка В переместится выше, следовательно, скорость ее движения направлена вверх; точка С переместится ниже, следовательно, скорость ее движения направлена вниз.

Ответ: A = 30 см; T = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; λ = 1,2 м; K и С — вниз, В — вверх.

Подводим итоги

Распространение колебаний в упругой среде называют механической волной. Механическую волну, в которой части среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, называют поперечной; волну, в которой части среды колеблются вдоль направления распространения волны, называют продольной.

Волна распространяется в пространстве не мгновенно, а с некоторой скоростью. При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду, называют длиной волны — это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются синхронно (имеют одинаковую фазу колебаний). Длина λ, частота ν и скорость v распространения волны связаны формулой волны: v = λν.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение механической волны. 2. Опишите механизм образования и распространения механической волны. 3. Назовите основные свойства волнового движения. 4. Какие волны называют продольными? поперечными? В каких средах они распространяются? 5. Что такое длина волны? Как ее определяют? 6. Как связаны длина, частота и скорость распространения волны?

Упражнение № 17

1. Определите длину каждой волны на рис. 1.

2. В океане длина волны достигает 270 м, а ее период равен 13,5 с. Определите скорость распространения такой волны.

3. Совпадают ли скорость распространения волны и скорость движения точек среды, в которой распространяется волна?

4. Почему механическая волна не распространяется в вакууме?

5. В результате взрыва, произведенного геологами, в земной коре распространилась волна со скоростью 4,5 км/с. Отраженная от глубоких слоев Земли, волна была зафиксирована на поверхности Земли через 20 с после взрыва. На какой глубине залегает порода, плотность которой резко отличается от плотности земной коры?

6. На рис. 2 изображены две веревки, вдоль которых распространяется поперечная волна. На каждой веревке показано направление колебаний одной из ее точек. Определите направления распространения волн.

7. На рис. 3 изображено положение двух шнуров, вдоль которых распространяется волна, показано направление распространения каждой волны. Для каждого случая а и б определите: 1) амплитуду, период, длину волны; 2) направление, в котором в данный момент времени движутся точки А, В и С шнура; 3) количество колебаний, которые совершает любая точка шнура за 30 с. Считайте, что сторона клетки равна 20 см.

8. Человек, стоящий на берегу моря, определил, что расстояние между соседними гребнями волн равно 15 м. Кроме того, он подсчитал, что за 75 с до берега доходит 16 волновых гребней. Определите скорость распространения волн.

Это материал учебника Физика 9 класс Барьяхтар, Довгий

 

Назад

В физике волны относятся к возмущениям в среде, несущей энергию без общего движения частиц. Двумя наиболее распространенными типами волн являются электромагнитные и механические волны. Оба передают информацию, энергию и импульс, но не передают частицы в среде.

Механическая волна – это вибрация в материи, которая передает энергию через вещество. Однако электромагнитная волна (например, свет) может проходить через вакуум.

Механические волны можно дополнительно разделить на категории в зависимости от способов их распространения. Три типа распространения – это поперечные, продольные и поверхностные волны. В этой статье мы остановимся на продольных волнах.

Что такое продольные волны?

В продольной волне частицы движутся в среде в том же измерении, что и направление движения волны. Другими словами, смещение частицы параллельно направлению движения волны.

Рисунок 1

При прохождении через среду эти волны создают сжатие и разрежение.

  • Сжатие – это область высокого давления, где волновые частицы находятся близко друг к другу.
  • Разрежения – это области низкого давления, где частицы распространяются дальше друг от друга.

Как вы можете видеть на рис.1, сжатие перемещается слева направо, и энергия передается в том же направлении. Однако ни одна частица не переносится вдоль продольной волны. Вместо этого все они движутся вперед и назад между сжатием, когда волна проходит через среду.

Расстояние между центрами двух последовательных областей (между сжатиями или разрежениями) определяет длину волны продольной волны. Она может производиться в любой среде, включая твердую, жидкую и газовую среду.

Чтобы лучше объяснить это явление, мы перечислили некоторые из лучших примеров продольных волн, которые люди видят в своей повседневной жизни.

9. Вибрационный камертон

Форма: Звуковые волны

Камертон наглядно иллюстрирует, как вибрирующий объект может генерировать звук. Он содержит рукоятку и два зубца, изготовленные из эластичного металла (обычно из стали). Когда вы ударяете по камертону резиновым молотком, его зубцы начинают вибрировать, вызывая возмущения соседних молекул воздуха.

Когда зубец вытягивается наружу из своего нормального положения, окружающий воздух сжимается, создавая область высокого давления (сжатие) рядом с зубцом. Когда зубец затем перемещается внутрь, он расширяет окружающие молекулы воздуха в большую область пространства, которая создает область низкого давления (разрежение) рядом с зубцом.

Пока зубцы вибрируют, они создают чередующийся рисунок областей высокого и низкого давления. Эти области проходят через соседние молекулы воздуха, перенося звуковые сигналы из одного места в другое.

8. Ультразвуковое исследование (Сонография)

Сонограмма плода в утробе матери | Викимедиа

Форма: высокочастотные звуковые волны

Сонография использует ультразвуковые волны для создания изображений внутренних частей тела, таких как кровеносные сосуды, мышцы, суставы, сухожилия и внутренние органы. Эти сонограммы (также называемые ультразвуковыми изображениями) формируются путем передачи ультразвуковых импульсов в ткани с помощью зонда. Импульсы отражаются от тканей с отчетливыми характеристиками отражения и обрабатываются и преобразуются в цифровое изображение.

В отличие от других методов медицинской визуализации, ультразвук дает изображения в реальном времени. Инструменты портативные, менее дорогие и не используют вредное ионизирующее излучение. Тем не менее они обладают ограниченным полем зрения и требуют квалифицированного оператора.

7. Дрожание окон при приближении грома

Форма: звуковые волны

Во время грозы разряды молнии производят мощные и быстрые волны давления, которые распространяются на очень большие расстояния. Когда эти волны достигают вашего дома, они заставляют оконные стекла вибрировать таким же образом, как наша барабанная перепонка вибрирует в ответ на звуковые волны.

В зависимости от характеристик офиса/дома и его окон (таких, как уровень изоляции, структура оконных рам и толщина стекла) вибрирующие оконные стекла могут создавать свой собственный характерный шум. В большинстве случаев это похоже на дребезжание или жужжание.

6. Цунами

Форма: волны на воде (или поверхностные волны)

Цунами – это не то, что вы видите каждый день, но, тем не менее, мы включили это в наш список, чтобы охватить каждый аспект продольных волн. Цунами очень отличается от приливных волн: оно вызвано землетрясением под водой.

В отличие от типичных океанских волн, волны цунами возникают, когда вода движется под действием силы тяжести и излучается через океан, как рябь на пруду. В то время как нормальные волны связаны только с движением верхних слоев воды, цунами включает движение всей колонны от морского дна к поверхности.

Когда волны движутся по воде, частицы движутся по кругу. Радиус этих кругов уменьшается по мере увеличения глубины погружения в воду. Это означает, что на большей глубине волны воды действуют как продольные волны. А вблизи поверхности волны воды ведут себя как поперечные волны

5. Неразрушающий контроль

Форма: высокочастотные звуковые волны

Неразрушающий контроль – это широкий спектр методов контроля, используемых в науке и технике для оценки свойств системы, компонента или материала без их повреждения.

Одной из часто используемых методик является ультразвуковой контроль, основанный на распространении ультразвуковых волн в исследуемом материале или объекте. Очень короткие ультразвуковые импульсы с частотой от 0,1 до 50 МГц передаются на компоненты для обнаружения внутренних дефектов или свойств материала.

Поскольку ультразвуковые волны обладают высокой чувствительностью и высокой проникающей способностью, они позволяют обнаруживать чрезвычайно мелкие дефекты, скрытые глубоко в деталях. Этот метод дает немедленные результаты, поэтому инженеры могут принимать точечные решения. Он в основном используется на металлических сплавах и бетоне.

4. Традиционный сабвуфер

Форма: низкочастотные звуки

Сабвуферы предназначены для воспроизведения звуковых частот низкого тона в диапазоне от 20 до 200 Гц для потребительских товаров и менее 100 Гц для профессиональных аудиосистем для живых выступлений. Они никогда не используются в одиночку; вместо этого они расширяют низкочастотный диапазон динамиков, перекрывая более высокие диапазоны частот.

При воспроизведении песни вы можете увидеть небольшие движения в диффузоре НЧ-динамика. На самом деле он движется внутрь и наружу, и если вы попытаетесь закрыть его выход, вы почувствуете давление воздуха на вашей руке. Это происходит потому, что вуферы производят продольные волны, перемещая частицы воздуха внутрь и наружу.

3. Сейсмические волны

Сейсмические волны (желтые стрелки) могут проникать через мантию и ядро

Форма: Сейсмические волны

Сейсмические волны проходят через слои Земли. Они возникают в результате извержений вулканов, землетрясений, крупных оползней, магматических движений и крупных антропогенных взрывов. Существует два типа сейсмических волн, которые проходят через недра Земли: Первичные (Р) и вторичные (S) волны.

Первичные волны (также называемые волнами давления) имеют продольную природу. Они движутся быстрее, чем другие волны (до 8 км/с в мантии и ядре Земли и 6 км/с в земной коре), и поэтому являются первыми сигналами, обнаруженными сейсмографами.

P-волны могут проходить через твердые породы и жидкости (жидкие слои) Земли по особой схеме. Некоторые животные могут слышать P-волны, возникающие в результате землетрясения. Например, кошки и собаки начинают вести себя странно за несколько минут до землетрясения. Напротив, люди могут ощущать только удары и грохот этих волн.

2. Звуковое оружие

Дальнобойное акустическое устройство на американском корабле “Блю Ридж”

Форма: мощные звуковые волны

Звуковое оружие использует высокие частоты ультразвука, чтобы вывести из строя, ранить или убить противников. Хотя они используются в вооруженных силах и полиции, некоторые типы звукового оружия в настоящее время находятся на стадии исследований и разработок.

Это оружие производит продольные звуковые волны, которые могут вызывать у людей дискомфорт или тошноту. Они часто используются для разгона протестующих и участников беспорядков в целях сдерживания массовых беспорядков.

Оружие с использованием мощных звуковых волн может уничтожить барабанные перепонки противника, вызывая сильную боль или дезориентацию. Исследования показывают, что воздействие ультразвука высокой интенсивности (700 кГц – 3,6 МГц) вызывает повреждение кишечника и легких у мышей.

1. Акустическая микроскопия

Сканирующий акустический микроскоп

Форма: ультравысокочастотный ультразвук

Акустические микроскопы могут проникать в большинство твердых материалов, обнаруживая их внутренние особенности, такие как трещины, пустоты и расслоения. Они работают в диапазоне частот от 10 МГц до 500 МГц.

Сканирующие акустические микроскопы, например, часто используются в биологических и медицинских исследованиях. Они дают данные об эластичности тканей и клеток, что дает бесценную информацию о физических силах, удерживающих структуры в определенных положениях, и механике таких структур, как цитоскелет.

За последнее десятилетие было продемонстрировано несколько акустических микроскопов, основанных на пикосекундных ультразвуковых системах, работающих на частотах ГГц. Они все чаще применяются на наноструктурах, квантовых ямах, а также в одной биологической клетке для зондирования ее механических свойств.

Процесс распространения колебаний в твердых телах, жидкостях и газах называют механической волной. Источниками этих волн являются колебания тел. Главным условием для распространения волн является взаимодействие частиц среды между собой. Механические волны возникают благодаря силам упругости.

Основное свойство всех волн заключается в переносе ими энергии без переноса вещества. Ветер нарушает равновесие морской поверхности, кажется, что море надвигается на берег, но это не так. Не перемещается по полю колосья, когда «волнуется нива», оно только наклоняется и снова распрямляется.

Существует два вида волн: продольные и поперечные.

  • Продольными называются волны, колебания частиц в которых происходит вдоль линии распространения волны. Такие волны могут распространяться в любой среде.
  • Поперечными называются волны, колебания частиц в которых происходит перпендикулярно линии распространения волны. Такие волны могут распространяться только в твердой среде.

Характеристики волн:

Скорость волны — это скорость распространения колебаний в пространстве. Обозначается быстрота буквой и измеряется в метрах, разделенных на секунду.

Длина волны — расстояние между ближайшими друг к другу точками волны, которые колеблются в одинаковой фазе. Длина волны обозначается буквой λ и измеряется в метрах.

Период — минимальный промежуток времени, за который происходит одно колебание. Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Частота волны — частота колебания частиц среды. Обозначается буквой ν и измеряется в герцах. Частота обратно пропорциональна периода.

Для того чтобы найти скорость волны, надо длину волны разделить на период, или длину волны умножить на частоту.

Содержание статьи:

Звуковая волна — это механическая продольная волна определенной частоты. В статье мы разберемся, что такое продольные и поперечные волны, почему не каждая механическая волна является звуковой. Узнаем скорость волны и то, на каких частотах возникает звук. Выясним, одинаков ли звук в разных средах и научимся находить его скорость по формуле.

Появление волны

Представим водную гладь, например пруд в тихую погоду. Если бросить камень, то на поверхности воды мы увидим расходящиеся от центра круги. А что будет, если мы возьмем не камень, а мяч и будем приводить его в колебательное движение? Круги будут постоянно порождаться колебаниями мяча. Мы увидим примерно то же, что изображено на компьютерной анимации.

imageВам будет интересно:Мусор в космосе вокруг Земли: откуда берется и чем опасен

image

Если на некотором расстоянии от мяча мы опустим поплавок, то он тоже будет колебаться. Когда колебания с течением времени расходятся по пространству, этот процесс называется волной.

Для изучения свойств звука (длины волны, скорости волны и др.) подходит известная игрушка «Радуга», или Happy Rainbow.

image

Растянем пружинку, дадим ей успокоиться и резко встряхнем движением вверх-вниз. Мы увидим, что появилась волна, которая побежала по пружинке, а затем вернулась обратно. Это значит, что она отразилась от препятствия. Мы наблюдали, как волна распространялась по пружинке с течением времени. Частицы пружинки двигались вверх-вниз по отношению к своему равновесию, а волна бежала влево-вправо. Такая волна называется поперечной. В ней направление ее распространения перпендикулярно направлению колебания частиц. В нашем случае средой распространения волны была пружинка.

image

Теперь растянем пружинку, дадим ей успокоиться и дернем вперед-назад. Мы увидим, что витки пружинки сжимаются вдоль нее. Волна бежит в этом же направлении. В одном месте пружинка более сжата, в другом более растянута. Такая волна называется продольной. Направление колебания ее частиц совпадает с направлением распространения.

Представим плотную среду, например, твердое тело. Если мы будем деформировать его сдвигом, возникнет волна. Она появится, благодаря действующим только в твердых телах силам упругости. Эти силы играют роль возвращающих и порождают упругую волну.

Деформировать сдвигом жидкость не получится. В газах и жидкостях поперечная волна распространяться не может. Другое дело – продольная: она распространяется во всех средах, где действуют силы упругости. В продольной волне частицы то сближаются, то удаляются, а сама среда сжимается и разреживается.

Многие думают, что жидкости несжимаемы, однако это не так. Если надавить на поршень шприца с водой, она немного сожмется. В газах тоже возможна деформация сжатия-растяжения. При нажатии на поршень пустого шприца воздух сжимается.

Скорость и длина волны

Вернемся к анимации, которую мы рассматривали в начале статьи. Выберем произвольную точку на одном из расходящихся от условного мяча кругов и проследим за ней. Точка удаляется от центра. Скорость, с которой она перемещается, — это скорость движения гребня волны. Можем сделать вывод: одна из характеристик волны — это скорость волны.

imageВам будет интересно:Семейство осоковые: особенности, классификация и значение

На анимации видно, что гребни волны располагаются на одинаковом расстоянии. Это и есть длина волны – еще одна ее характеристика. Чем чаще волны, тем меньше их длина.

Почему не всякая механическая волна является звуковой

Возьмем алюминиевую линейку.

image

Она упругая, поэтому подойдет для опыта. Положим линейку на край стола и прижмем рукой так, чтобы она сильно выступала. Надавим на ее край и резко отпустим — свободная часть начнет вибрировать, но звука при этом не будет. Если выдвинуть линейку только чуть-чуть, то колебания короткого края создадут звук.

Что показывает этот опыт? Он демонстрирует, что звук возникает только тогда, когда тело движется достаточно быстро, когда скорость волны в среде высока. Введем еще одну характеристику волны — частоту. Эта величина показывает, сколько колебаний в секунду совершает тело. Когда мы создаем в воздухе волну, то звук возникает при определенных условиях — при достаточно большой частоте.

Важно понимать, что звук — это не волна, хотя он и имеет отношение к механическим волнам. Звук — это ощущение, которое возникает при попадании в ухо звуковых (акустических) волн.

image

Вернемся к линейке. Когда выдвинута большая часть, то линейка колеблется и не издает звук. Создается ли при этом волна? Конечно, но это механическая волна, а не звуковая. Теперь можно дать определение звуковой волне. Это механическая продольная волна, частота которой находится в диапазоне от 20 Гц до 20 тыс. Гц. Если частота меньше 20 Гц или больше 20 КГц, то мы ее не услышим, хотя колебания и возникнут.

Источник звука

Источником акустических волн может быть любое колеблющееся тело, для этого только нужна упругая среда, например, воздух. Вибрировать может не только твердое тело, но и жидкость, и газ. Воздух как смесь нескольких газов может быть не только средой распространения — он сам способен порождать акустическую волну. Именно его колебания лежат в основе звучания духовых инструментов. Флейта или труба не колеблются. Это воздух разреживается и сжимается, придает определенную скорость волне, в результате чего мы слышим звук.

Распространение звука в разных средах

Мы выяснили, что звучат разные вещества: жидкие, твердые, газообразные. То же самое касается способности проводить акустическую волну. Звук распространяется в любой упругой среде (жидкой, твердой, газообразной), кроме вакуума. В безвоздушном пространстве, допустим на Луне, мы не услышим звука вибрирующего тела.

Большая часть звуков, воспринимаемых человеком, распространяется в воздухе. Рыбы, медузы слышат акустическую волну, расходящуюся по воде. Мы, если нырнем под воду, тоже услышим шум проплывающей рядом моторной лодки. Причем длина волны и скорость волны будут выше, чем в воздухе. Это значит, что звук мотора первым услышит человек, плавающий с аквалангом под водой. Рыбак, который в этом же месте сидит в своей лодке, услышит шум позже.

В твердых телах звук распространяется еще лучше, а скорость волны – выше. Если приложить твердый предмет, особенно из металла, к уху и постучать по нему, будет очень хорошо слышно. Еще один пример — это собственный голос. Когда мы впервые слышим свою речь, предварительно записанную на диктофон или из видео, голос кажется чужим. Почему так происходит? Потому что в жизни мы слышим не столько звуковые колебания из своего рта, сколько колебания волн, проходящих по костям нашего черепа. Звук, отраженный от этих препятствий, несколько меняется.

Скорость звука

Скорость звуковой волны, если рассматривать один и тот же звук, будет неодинаковой в разных средах. Чем плотнее среда, тем быстрее звук достигает нашего уха. Поезд может ехать так далеко от нас, что стук колес будет еще не слышен. Однако если приложить ухо к рельсам, мы отчетливо услышим гул.

image

Это говорит о том, что в твердых телах звуковая волна бежит быстрее, чем в воздухе. На рисунке представлены значения скорости звука в разных средах.

Уравнение волны

Скорость, частота и длина волны взаимосвязаны. У тел, которые вибрируют с высокой частотой, волна короче. Низкочастотные звуки слышны на большем расстоянии, потому что у них длиннее волна. Существует два уравнения волны. Они иллюстрируют взаимозависимость характеристик волны друг от друга. Зная любые две величины из уравнений, можно вычислить третью:

с = ν × λ,

где с — скорость, ν — частота, λ — длина волны.

Второе уравнение акустической волны:

с = λ / Т,

где Т — это период, т. е. время, за которое тело совершает одно колебание.

Источник

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий