Drgania i fale – fizyka, która nie musi być nudna!
Czy drgania i fale mogą być fascynujące? Oczywiście, że tak! Zwłaszcza kiedy wyobrażasz sobie, że naciągasz sprężynę i... zaczynasz swoją przygodę z fizyką. Pokażę ci, że ruch harmoniczny to coś więcej niż sinusoidy i wzory. Zacznijmy od początku!
Co to jest ruch drgający?
Ruch harmoniczny – taniec sinusoidy
Ruch drgający możemy podzielić na harmoniczny i harmoniczny tłumiony. Co to znaczy? Wyobraź sobie sprężynę. Jeśli ją naciągniesz, zacznie drgać jak szalona! Ale po chwili, gdy energii zabraknie, drgania zaczną słabnąć i ostatecznie się zatrzymają. To właśnie ruch harmoniczny tłumiony, prawdziwy król codziennych obserwacji.
W ruchu harmonicznym, jego wykres przypomina sinusoidę – taką falę wznoszącą się i opadającą. Idealna sinusoida to ruch harmoniczny czysty, bez żadnych przeszkód. W realnym świecie jednak drgania są tłumione, bo przecież nawet najtwardsza sprężyna nie może drgać wiecznie (chociaż fajnie by było).
Wykres ruchu drgającego harmonicznego
Harmoniczny ruch możemy przestawić za pomocą sinusoidy (spójrz poniżej)
Sprężyna rzeczywista po pewnym czasie przestanie drgać a wykres, za pomocą którego możemy ten ruch przedstawić wygląda w następujący sposób:
W szkołach omawia się zwykle bardziej szczegółowo ruch harmoniczny, bo jego opis jest znacznie łatwiejszy (wystarczy znać tylko funkcję sinus). W przypadku ruchów tłumionych do ich opisu trzeba wykorzystać równania różniczkowe i oczywiście wówczas sytuacja się komplikuje, bo wymaga ona od ucznia znajomości troszkę bardziej zaawansowanej matematyki.
Najważniejsze pojęcia w ruchu drgającym
Amplituda, okres, częstotliwość – czym to się różni?
Amplituda (A) – to maksymalne wychylenie z położenia równowagi. To jak wysoko potrafisz "naciągnąć" sprężynę przed jej powrotem.
Okres (T) – czas potrzebny do wykonania jednego pełnego drgnięcia.
Częstotliwość (f) – ilość drgnięć w trakcie jednej sekundy. Częstotliwość wyraża się w hercach (Hz). Czym wyższa częstotliwość, tym szybciej coś drga.
Amplitudę i okres zaznaczyłem na wykresie poniżej
Wzory, które pokocha każde dziecko
W jaki sposób można obliczyć częstotliwość i okres w ruchu harmonicznym? Poniżej wzory:
Częśtotliwość: f=n/t
Okres: T=t/n
Zależność między nimi: f=1/T
gdzie:
n- ilość pełnych obiegów
t- czas
f- częstotliwość
T- okres
Proste? Jasne, że tak!
Rodzaje fal – poprzeczna czy podłużna? Wybór należy do Ciebie!
Teraz pora na fale. Tak, te same fale, które rozbijają się o plażę podczas wakacji! Ale tutaj mówimy o falach mechanicznych. Ze względu na sposób przemieszczania się fali rozróżniamy falę poprzeczną i podłużną.
Fala poprzeczna – prostopadłość, której nie da się przegapić
Fala poprzeczna to taka, w której kierunek rozchodzenia się fali jest prostopadły do kierunku drgań. Jak to sobie wyobrazić? Spójrz na morskie grzbiety – to właśnie one są prostopadłe do ruchu wody. Łatwe, prawda?
Fala podłużna – dźwięki, które pędzą przez powietrze
Fale dźwiękowe to też fale mechaniczne. Ale uwaga! Fala dźwiękowa nie działa w próżni (kosmiczni DJ-e mają więc problem). W powietrzu jednak cząsteczki zagęszczają się i rozrzedzają, przekazując sobie energię jak wesoły łańcuszek.
W przypadku propagacji dźwięku nie następuje przesuwanie się cząstek jako całości (musiałby wówczas powstać wiatr spowodowany niesieniem cząstek). Następuje tylko przesuwanie się zaburzeń, fal dźwiękowych. Cząstki przekazują sobie energię jedna od drugiej.
Długość fali - o co tutaj chodzi?
Falę możemy opisywać poprzez jej długość oraz prędkość rozchodzenia.
Długość fali to inaczej odległość jaką przebędzie fala w czasie jednego okresu, a więc jest to odległość między dwoma grzbietami. Oznaczamy to literką lambda λ.
długość fali: λ =v/f
gdzie:
λ – długość fali
V- szybkość
f- częstotliwość
Fale elektromagnetyczne – podróż w próżni!
Każda fala mechaniczna potrzebuje ośrodka materialnego, aby się przemieszczać. W przypadku fali dźwiękowej mogą to być cząsteczki powietrza, wody albo np. szyna stalowa. Fala dźwiękowa nie istnieje w próżni. Tam nie ma ośrodka, w którym mogłaby się ona propagować, czyli przemieszczać, a więc wniosek z tego taki, że w Kosmosie gdzie jest próżnia panuje absolutna cisza. Czy to jednak oznacza, że żadne fale się tam nie przemieszczają? Tam królują fale elektromagnetyczne, które mogą śmigać bez potrzeby ośrodka materialnego. Dzięki nim mamy Wi-Fi, telewizję i kosmiczne fale radiowe!
Infradźwięki i ultradźwięki – tajemnicze światy słonia i nietoperza
Zakres słyszalnych dźwięków dla człowieka mieści się między 20Hz a 20 000Hz. Co to oznacza? Jeśli coś drga poniżej 20Hz, mamy do czynienia z infradźwiękami (słonie je uwielbiają). Natomiast powyżej 20 000Hz zaczynają się ultradźwięki, które słyszą na przykład nietoperze. Czy to nie fascynujące?
Podsumowanie – fizyka to zabawa, a drgania to taniec fal!
Drgania i fale mogą być naprawdę wciągające! Od sinusoidalnych ruchów sprężyny, po tajemnicze fale dźwiękowe, fizyka jest wszędzie wokół nas. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, dołącz do naszego kursu „Drgania Fale”, gdzie rozwiązaliśmy mnóstwo zadań i zagadek związanych z tym działem fizyki. Zobaczysz, że fizyka to nie tylko wzory, ale i fascynujące historie.
