การแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลางต่อเนื่อง การแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลาง

เราขอนำเสนอบทเรียนวิดีโอในหัวข้อ "การแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลางที่ยืดหยุ่น คลื่นตามยาวและตามขวาง" ในบทนี้ เราจะศึกษาประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลางยืดหยุ่น คุณจะได้เรียนรู้ว่าคลื่นคืออะไร ลักษณะที่ปรากฏ และลักษณะเฉพาะของมัน เรามาศึกษาคุณสมบัติและความแตกต่างระหว่างคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวางกันดีกว่า

เรามุ่งหน้าสู่การศึกษาประเด็นที่เกี่ยวข้องกับคลื่น เรามาคุยกันว่าคลื่นคืออะไร ลักษณะที่ปรากฏ และมีลักษณะเฉพาะอย่างไร ปรากฎว่านอกเหนือจากกระบวนการออสซิลเลชันในพื้นที่แคบๆ แล้ว การออสซิลเลชันเหล่านี้ยังแพร่กระจายในตัวกลางได้อีกด้วย การแพร่กระจายนี้เองที่เป็นการเคลื่อนที่ของคลื่นนั่นเอง

เรามาหารือเกี่ยวกับการกระจายนี้กันดีกว่า เพื่อหารือถึงความเป็นไปได้ของการแกว่งตัวในตัวกลาง เราต้องตัดสินใจว่าตัวกลางหนาแน่นคืออะไร ตัวกลางที่มีความหนาแน่นคือตัวกลางที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมากซึ่งมีปฏิกิริยาใกล้เคียงกับความยืดหยุ่นมาก ลองจินตนาการถึงการทดลองทางความคิดต่อไปนี้

ข้าว. 1. การทดลองทางความคิด

ให้เราวางลูกบอลไว้ในสื่อที่ยืดหยุ่น ลูกบอลจะหดตัว ลดขนาดลง แล้วขยายตัวเหมือนการเต้นของหัวใจ ในกรณีนี้จะสังเกตอะไรได้บ้าง? ในกรณีนี้ อนุภาคที่อยู่ติดกับลูกบอลนี้จะเคลื่อนที่ซ้ำนั่นคือ เคลื่อนตัวออกไปใกล้เข้ามา - ดังนั้นพวกมันจะแกว่งไปมา เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้มีปฏิกิริยากับอนุภาคอื่นที่อยู่ไกลจากลูกบอลมากกว่า พวกมันก็จะแกว่งเช่นกัน แต่มีความล่าช้าบ้าง อนุภาคที่เข้ามาใกล้ลูกบอลนี้จะสั่นสะเทือน พวกมันจะถูกส่งไปยังอนุภาคอื่นที่อยู่ห่างไกลออกไป ดังนั้นแรงสั่นสะเทือนจะกระจายไปทุกทิศทุกทาง โปรดทราบว่าในกรณีนี้สถานะการสั่นสะเทือนจะแพร่กระจาย เราเรียกการแพร่กระจายของสภาวะการสั่นนี้ว่าคลื่น ก็สามารถพูดได้ว่า กระบวนการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลางยืดหยุ่นเมื่อเวลาผ่านไปเรียกว่าคลื่นกล

โปรดทราบ: เมื่อเราพูดถึงกระบวนการของการแกว่งดังกล่าว เราต้องบอกว่ามันเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง คลื่นสามารถดำรงอยู่ได้เฉพาะเมื่อมีแรงรบกวนภายนอกและแรงที่ต้านทานการกระทำของแรงรบกวนเท่านั้น ในกรณีนี้คือแรงยืดหยุ่น กระบวนการแพร่กระจายในกรณีนี้จะสัมพันธ์กับความหนาแน่นและความแข็งแรงของอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคของตัวกลางที่กำหนด

เรามาสังเกตอีกสิ่งหนึ่ง คลื่นไม่สามารถขนส่งสสารได้. ท้ายที่สุดแล้ว อนุภาคจะแกว่งไปมาใกล้ตำแหน่งสมดุล แต่ในขณะเดียวกัน คลื่นก็ถ่ายโอนพลังงาน ข้อเท็จจริงนี้สามารถอธิบายได้ด้วยคลื่นสึนามิ สสารไม่ได้ถูกคลื่นพัดพาไป แต่คลื่นนั้นมีพลังงานมากจนทำให้เกิดหายนะครั้งใหญ่

มาพูดถึงประเภทของคลื่นกันดีกว่า มีสองประเภทคือคลื่นตามยาวและคลื่นตามขวาง เกิดอะไรขึ้น คลื่นตามยาว ? คลื่นเหล่านี้สามารถมีอยู่ในสื่อทุกประเภท และตัวอย่างที่มีลูกบอลเร้าใจในตัวกลางหนาแน่นเป็นเพียงตัวอย่างการก่อตัวของคลื่นตามยาว คลื่นดังกล่าวเป็นการแพร่กระจายในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป การสลับของการบดอัดและการทำให้บริสุทธิ์นี้เป็นคลื่นตามยาว ฉันขอย้ำอีกครั้งว่าคลื่นดังกล่าวสามารถมีอยู่ได้ในสื่อทุกประเภท - ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ คลื่นตามยาวคือคลื่นที่การแพร่กระจายทำให้อนุภาคของตัวกลางสั่นไปในทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

ข้าว. 2. คลื่นตามยาว

ส่วนคลื่นตามขวางนั้น คลื่นตามขวางสามารถมีอยู่ได้เฉพาะใน ของแข็งและบนพื้นผิวของของเหลว คลื่นตามขวางคือคลื่นที่การแพร่กระจายทำให้อนุภาคของตัวกลางสั่นในแนวตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

ข้าว. 3. คลื่นตามขวาง

ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นตามยาวและตามขวางแตกต่างกัน แต่นี่คือหัวข้อของบทเรียนต่อไปนี้

รายชื่อวรรณกรรมเพิ่มเติม:

คุณคุ้นเคยกับแนวคิดเรื่องคลื่นหรือไม่? //ควอนตัม. - 2528. - ลำดับที่ 6. — น.32-33. ฟิสิกส์: กลศาสตร์. ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10: หนังสือเรียน เพื่อศึกษาฟิสิกส์เชิงลึก / ม.ม. บาลาชอฟ, A.I. โกโมโนวา, เอ.บี. Dolitsky และคนอื่น ๆ ; เอ็ด G.Ya. ไมยากิเชวา. - อ.: อีแร้ง, 2545. หนังสือเรียนฟิสิกส์เบื้องต้น. เอ็ด จี.เอส. ลันด์สเบิร์ก. ต. 3. - ม., 2517

ในคลื่นคือการรบกวนใดๆ ในสถานะของสสารหรือสนามที่แพร่กระจายในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป

เครื่องกลเรียกว่าคลื่นที่เกิดขึ้นในตัวกลางยืดหยุ่นเช่น ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงเกิดขึ้นซึ่งป้องกัน:

1) การเปลี่ยนรูปแรงดึง (อัด)

2) การเสียรูปเฉือน

ในกรณีแรกก็มี คลื่นตามยาวซึ่งการสั่นสะเทือนของอนุภาคของตัวกลางเกิดขึ้นในทิศทางของการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือน คลื่นตามยาวสามารถแพร่กระจายในวัตถุที่เป็นของแข็ง ของเหลว และก๊าซได้ เนื่องจาก มีความเกี่ยวข้องกับการเกิดขึ้นของแรงยืดหยุ่นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง ปริมาณ.

ในกรณีที่สอง ในอวกาศก็มี คลื่นตามขวางซึ่งอนุภาคของตัวกลางสั่นสะเทือนในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือน คลื่นตามขวางสามารถแพร่กระจายได้เฉพาะในของแข็งเท่านั้นเพราะว่า เกี่ยวข้องกับการเกิดแรงยืดหยุ่นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง แบบฟอร์มร่างกาย

หากร่างกายบางส่วนแกว่งไปมาในตัวกลางที่ยืดหยุ่น มันจะส่งผลกระทบต่ออนุภาคของตัวกลางที่อยู่ติดกันและบังคับให้พวกมันแสดง การสั่นบังคับ. ตัวกลางที่อยู่ใกล้ตัวกลางที่สั่นจะมีรูปร่างผิดปกติและมีแรงยืดหยุ่นเกิดขึ้น แรงเหล่านี้กระทำกับอนุภาคของตัวกลางที่อยู่ไกลจากร่างกายมากขึ้นโดยกำจัดพวกมันออกจากตำแหน่งสมดุล เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคของตัวกลางจะเข้ามาเกี่ยวข้องเพิ่มมากขึ้น การเคลื่อนไหวแบบสั่น.

เครื่องกล ปรากฏการณ์คลื่นมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ ชีวิตประจำวัน. เช่นเนื่องจากคลื่นเสียงที่เกิดจากความยืดหยุ่น สิ่งแวดล้อมเราก็ได้ยิน คลื่นในก๊าซหรือของเหลวเหล่านี้แสดงถึงความผันผวนของแรงดันที่แพร่กระจายผ่านตัวกลาง ตัวอย่างของคลื่นกลได้แก่: 1) คลื่นบนพื้นผิวน้ำ โดยที่การเชื่อมต่อของส่วนที่อยู่ติดกันของผิวน้ำไม่ได้เกิดจากความยืดหยุ่น แต่เกิดจากแรงโน้มถ่วงและแรงตึงผิว 2) คลื่นระเบิดจากการระเบิดของกระสุน; 3) คลื่นแผ่นดินไหว - แรงสั่นสะเทือนเข้า เปลือกโลกซึ่งลุกลามมาจากบริเวณที่เกิดแผ่นดินไหว

ความแตกต่างระหว่างคลื่นยืดหยุ่นกับการเคลื่อนที่ตามลำดับอื่น ๆ ของอนุภาคของตัวกลางก็คือการแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนไม่เกี่ยวข้องกับการส่งผ่านของสสารจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งในระยะทางไกล

ตำแหน่งทางเรขาคณิตของจุดที่การแกว่งไปถึงจุดใดจุดหนึ่งเรียกว่า ด้านหน้าคลื่น หน้าคลื่นเป็นพื้นผิวที่แยกส่วนของอวกาศที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการคลื่นออกจากบริเวณที่ยังไม่เกิดการสั่นไหว

ตำแหน่งทางเรขาคณิตของจุดที่สั่นในเฟสเดียวกันเรียกว่า พื้นผิวคลื่น. พื้นผิวของคลื่นสามารถถูกดึงผ่านจุดใดก็ได้ในอวกาศที่กระบวนการของคลื่นครอบคลุม จึงมีพื้นผิวเป็นคลื่น ชุดอนันต์แม้ว่าจะมีคลื่นเพียงคลื่นเดียวในช่วงเวลาใดก็ตาม แต่ก็มีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา รูปร่างของด้านหน้าอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของแหล่งกำเนิดการสั่นและคุณสมบัติของตัวกลาง

ในกรณีของตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีไอโซโทรปิก คลื่นทรงกลมจะแพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดแบบจุด เช่น หน้าคลื่นในกรณีนี้คือทรงกลม หากแหล่งกำเนิดของการแกว่งเป็นระนาบ ส่วนใดส่วนหนึ่งของหน้าคลื่นที่อยู่ใกล้ๆ จะแตกต่างจากส่วนหนึ่งของระนาบเล็กน้อย ดังนั้น คลื่นที่มีส่วนหน้าดังกล่าวจึงเรียกว่าระนาบ

สมมติว่าเมื่อเวลาผ่านไป บางส่วนของแนวหน้าคลื่นได้เคลื่อนตัวไป ขนาด

เรียกว่าความเร็วการแพร่กระจายของหน้าคลื่นหรือ ความเร็วเฟสคลื่นในสถานที่นี้

เส้นที่แทนเจนต์ในแต่ละจุดเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของคลื่น ณ จุดนี้ กล่าวคือ โดยมีทิศทางการถ่ายเทพลังงานเรียกว่า คาน. ในตัวกลางไอโซโทรปิกที่เป็นเนื้อเดียวกัน ลำแสงจะตั้งฉากกับหน้าคลื่น

การสั่นจากแหล่งกำเนิดสามารถเป็นได้ทั้งฮาร์มอนิกและไม่ใช่ฮาร์มอนิก ดังนั้นคลื่นจึงวิ่งจากแหล่งกำเนิด สีเดียวและ ไม่ใช่สีเดียว. คลื่นที่ไม่ใช่เอกรงค์ (ที่มีการสั่นของความถี่ต่างกัน) สามารถแบ่งออกเป็นคลื่นเอกรงค์เดียว (แต่ละคลื่นมีการสั่นของความถี่เดียวกัน) คลื่นเอกรงค์เดียว (ไซน์) ถือเป็นนามธรรม คลื่นดังกล่าวจะต้องขยายออกไปอย่างไม่สิ้นสุดในอวกาศและเวลา

ปล่อยให้ตัวสั่นอยู่ในตัวกลางที่อนุภาคทั้งหมดเชื่อมต่อถึงกัน อนุภาคของตัวกลางที่สัมผัสกับมันจะเริ่มสั่นสะเทือนซึ่งเป็นผลมาจากการเสียรูปเป็นระยะ (เช่นการบีบอัดและแรงดึง) เกิดขึ้นในบริเวณของตัวกลางที่อยู่ติดกับร่างกายนี้ ในระหว่างการเสียรูป แรงยืดหยุ่นจะปรากฏขึ้นในตัวกลาง ซึ่งมีแนวโน้มที่จะทำให้อนุภาคของตัวกลางกลับคืนสู่สภาวะสมดุลดั้งเดิม

ดังนั้นการเสียรูปเป็นระยะ ๆ ที่ปรากฏในบางสถานที่ในตัวกลางยืดหยุ่นจะแพร่กระจายด้วยความเร็วที่แน่นอน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง ในกรณีนี้ คลื่นจะไม่ดูดอนุภาคของตัวกลางเข้าไปในคลื่น การเคลื่อนไหวไปข้างหน้าแต่ทำการเคลื่อนไหวแบบสั่นรอบตำแหน่งสมดุล เฉพาะการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นเท่านั้นที่ถูกถ่ายโอนจากส่วนหนึ่งของตัวกลางไปยังอีกส่วนหนึ่ง

กระบวนการแพร่กระจายการเคลื่อนที่แบบสั่นในตัวกลางเรียกว่า กระบวนการคลื่นหรือเพียงแค่ คลื่น. บางครั้งคลื่นนี้เรียกว่ายืดหยุ่น เนื่องจากมีสาเหตุมาจากคุณสมบัติยืดหยุ่นของตัวกลาง

ขึ้นอยู่กับทิศทางของการแกว่งของอนุภาคที่สัมพันธ์กับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น คลื่นตามยาวและตามขวางจะมีความโดดเด่นการสาธิตแบบโต้ตอบของคลื่นตามขวางและตามยาว

คลื่นตามยาว – นี่คือคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นไปตามทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

สามารถสังเกตคลื่นตามยาวได้บนสปริงที่อ่อนนุ่มยาว เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่. เมื่อสัมผัสที่ปลายด้านหนึ่งของสปริง คุณจะสังเกตได้ว่าการควบแน่นและความหายากของการหมุนที่ต่อเนื่องกันจะแผ่กระจายไปทั่วฤดูใบไม้ผลิ ทีละส่วนกัน ในรูป จุดแสดงตำแหน่งของคอยล์สปริงที่เหลือ และจากนั้นตำแหน่งของคอยล์สปริงในช่วงเวลาต่อเนื่องกันเท่ากับหนึ่งในสี่ของช่วงเวลา

คลื่นขวาง - นี่คือคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นไปในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

ให้เราพิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการก่อตัวของคลื่นตามขวาง ลองใช้ห่วงโซ่ลูกบอลเป็นตัวอย่างของสายไฟจริง ( จุดวัสดุ) เชื่อมต่อถึงกันด้วยแรงยืดหยุ่น รูปนี้แสดงถึงกระบวนการแพร่กระจายของคลื่นตามขวางและแสดงตำแหน่งของลูกบอลในช่วงเวลาต่อเนื่องกันเท่ากับหนึ่งในสี่ของช่วงเวลา

ในช่วงเวลาเริ่มต้น (เสื้อ 0 = 0)ทุกจุดอยู่ในสภาวะสมดุล จากนั้นเราทำให้เกิดการรบกวนโดยเบี่ยงเบนจุดที่ 1 จากตำแหน่งสมดุลด้วยจำนวน A และจุดที่ 1 เริ่มแกว่งไปมา จุดที่ 2 ซึ่งเชื่อมต่ออย่างยืดหยุ่นกับจุดที่ 1 จะเข้าสู่การเคลื่อนที่แบบสั่นในภายหลังเล็กน้อย จุดที่ 3 ในภายหลังเป็นต้น . หลังจากผ่านไปหนึ่งในสี่ของช่วงการสั่น ( ที 2 = ต 4 ) จะกระจายไปยังจุดที่ 4 จุดที่ 1 จะมีเวลาเบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งสมดุลด้วยระยะทางสูงสุดเท่ากับแอมพลิจูดการสั่น A หลังจากผ่านไปครึ่งช่วง จุดที่ 1 เคลื่อนลงด้านล่างจะกลับสู่ตำแหน่งสมดุล อันดับที่ 4 เบี่ยงเบนไปจากตำแหน่งสมดุลด้วยระยะทางเท่ากับแอมพลิจูดของการแกว่ง A คลื่นได้แพร่กระจายไปยังจุดที่ 7 เป็นต้น

โดยตามเวลา เสื้อ 5 = ตจุดที่ 1 เมื่อทำการแกว่งเสร็จสมบูรณ์แล้ว จะผ่านตำแหน่งสมดุล และการเคลื่อนที่ของการแกว่งจะกระจายไปยังจุดที่ 13 จุดทั้งหมดตั้งแต่วันที่ 1 ถึงวันที่ 13 จะอยู่ในลักษณะคลื่นที่สมบูรณ์ประกอบด้วย อาการซึมเศร้าและ สันเขา

การสาธิตการแพร่กระจายของคลื่นเฉือน

ประเภทของคลื่นขึ้นอยู่กับประเภทของการเสียรูปของตัวกลาง คลื่นตามยาวเกิดจากการเสียรูปของแรงอัดและแรงตึง คลื่นตามขวางเกิดจากการเสียรูปของแรงเฉือน ดังนั้นในก๊าซและของเหลวซึ่งแรงยืดหยุ่นเกิดขึ้นเฉพาะระหว่างการบีบอัดเท่านั้น การแพร่กระจายของคลื่นตามขวางจึงเป็นไปไม่ได้ ในของแข็ง แรงยืดหยุ่นเกิดขึ้นทั้งระหว่างการบีบอัด (แรงดึง) และแรงเฉือน ดังนั้นคลื่นทั้งตามยาวและตามขวางจึงสามารถแพร่กระจายไปได้

ตามตัวเลขที่แสดง ทั้งในคลื่นตามขวางและตามยาว จุดแต่ละจุดของตัวกลางจะแกว่งไปรอบตำแหน่งสมดุลของมันและเคลื่อนตัวจากจุดนั้นไม่เกินแอมพลิจูด และสถานะของการเปลี่ยนรูปของตัวกลางจะถูกถ่ายโอนจากจุดหนึ่งของตัวกลางไปยัง อื่น. ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างคลื่นยืดหยุ่นในตัวกลางกับการเคลื่อนที่ตามลำดับอื่นๆ ของอนุภาคก็คือ การแพร่กระจายของคลื่นไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทสสารในตัวกลาง

ตัวกลางเรียกว่ายืดหยุ่นหากมีแรงกระทำระหว่างอนุภาคซึ่งป้องกันการเสียรูปของตัวกลางนี้ เมื่อวัตถุใดๆ แกว่งไปมาในตัวกลางที่ยืดหยุ่น มันจะกระทำกับอนุภาคของตัวกลางที่อยู่ติดกับลำตัว และทำให้มันทำการสั่นแบบบังคับ ตัวกลางที่อยู่ใกล้ตัวสั่นนั้นมีรูปร่างผิดปกติและมีแรงยืดหยุ่นเกิดขึ้น แรงเหล่านี้กระทำต่ออนุภาคของตัวกลางที่อยู่ห่างจากร่างกายมากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้พวกมันออกจากตำแหน่งสมดุล อนุภาคทั้งหมดของตัวกลางจะค่อยๆ เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบสั่น

วัตถุที่ทำให้เกิดคลื่นยืดหยุ่นแพร่กระจายในตัวกลางคือ แหล่งกำเนิดคลื่น(ส้อมเสียงสั่น สายเครื่องดนตรี)

คลื่นยืดหยุ่นเรียกว่าการรบกวนทางกล (การเปลี่ยนรูป) ที่เกิดจากแหล่งที่แพร่กระจายในตัวกลางยืดหยุ่น คลื่นยืดหยุ่นไม่สามารถแพร่กระจายในสุญญากาศได้

เมื่ออธิบายกระบวนการของคลื่น ตัวกลางถือเป็นของแข็งและต่อเนื่อง และอนุภาคของมันเป็นองค์ประกอบที่มีปริมาตรไม่ จำกัด (ค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับความยาวคลื่น) ซึ่งมี จำนวนมากโมเลกุล เมื่อคลื่นแพร่กระจายในตัวกลางที่ต่อเนื่อง อนุภาคของตัวกลางที่มีส่วนร่วมในการสั่นจะมีระยะการสั่นที่แน่นอนในแต่ละช่วงเวลา

ตำแหน่งทางเรขาคณิตของจุดในตัวกลางที่สั่นในเฟสเดียวกันจะก่อตัวขึ้น พื้นผิวคลื่น

พื้นผิวคลื่นที่แยกอนุภาคการสั่นของตัวกลางออกจากอนุภาคที่ยังไม่เริ่มสั่นเรียกว่าหน้าคลื่น คลื่นระนาบ คลื่นทรงกลม ฯลฯ ขึ้นอยู่กับรูปร่างของหน้าคลื่น

เส้นที่ลากตั้งฉากกับหน้าคลื่นในทิศทางของการแพร่กระจายคลื่นเรียกว่ารังสี ลำแสงบ่งบอกถึงทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น;;

ใน คลื่นเครื่องบินพื้นผิวคลื่นเป็นระนาบตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น (รูปที่ 15.1) คลื่นระนาบสามารถเกิดขึ้นได้บนผิวน้ำในอ่างน้ำเรียบโดยการแกว่งแท่งแบน

ในคลื่นทรงกลม พื้นผิวของคลื่นจะเป็นทรงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน คลื่นทรงกลมสามารถสร้างขึ้นได้โดยลูกบอลที่เต้นเป็นจังหวะในตัวกลางยืดหยุ่นที่เป็นเนื้อเดียวกัน คลื่นดังกล่าวแพร่กระจายด้วยความเร็วเท่ากันในทุกทิศทาง รังสีคือรัศมีของทรงกลม (รูปที่ 15.2)

OK-9 การแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนในตัวกลางยืดหยุ่น

การเคลื่อนที่ของคลื่น- คลื่นกล ได้แก่ คลื่นที่แพร่กระจายในสสารเท่านั้น (ทะเล เสียง คลื่นในเส้นเชือก คลื่นแผ่นดินไหว) แหล่งที่มาของคลื่นคือการสั่นสะเทือนของเครื่องสั่น

เครื่องสั่น- ร่างกายสั่น สร้างแรงสั่นสะเทือนในตัวกลางที่ยืดหยุ่น

คลื่นเรียกว่าการสั่นสะเทือนที่แพร่กระจายในอวกาศเมื่อเวลาผ่านไป

พื้นผิวคลื่น- สถานทางเรขาคณิตของจุดในตัวกลางที่สั่นในเฟสเดียวกัน

ล
เอ่อ- เส้นที่สัมผัสกันในแต่ละจุดตรงกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

สาเหตุของการเกิดคลื่นในตัวกลางยืดหยุ่น

หากเครื่องสั่นสั่นสะเทือนในตัวกลางที่ยืดหยุ่น มันจะทำหน้าที่กับอนุภาคของตัวกลาง ส่งผลให้พวกมันทำการสั่นแบบบังคับ เนื่องจากแรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคของตัวกลาง การสั่นสะเทือนจึงถูกส่งจากอนุภาคหนึ่งไปยังอีกอนุภาคหนึ่ง

ต
ประเภทของคลื่น

คลื่นตามขวาง

คลื่นที่อนุภาคของตัวกลางสั่นสะเทือนในระนาบตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น เกิดขึ้นในของแข็งและบนพื้นผิวเตา

ป
คลื่นการคลอดบุตร

การสั่นเกิดขึ้นตามการแพร่กระจายของคลื่น สามารถเกิดขึ้นได้ในก๊าซ ของเหลว และของแข็ง

คลื่นพื้นผิว

ใน
คลื่นที่แพร่กระจายที่จุดเชื่อมต่อระหว่างสื่อทั้งสอง คลื่นที่รอยต่อระหว่างน้ำกับอากาศ ถ้า λ น้อยกว่าความลึกของอ่างเก็บน้ำ จากนั้นแต่ละอนุภาคของน้ำบนพื้นผิวและใกล้จะเคลื่อนที่ไปตามวงรี กล่าวคือ คือการรวมกันของการสั่นสะเทือนในทิศทางตามยาวและตามขวาง ที่ด้านล่างจะสังเกตการเคลื่อนไหวตามยาวล้วนๆ

คลื่นเครื่องบิน

คลื่นที่พื้นผิวของคลื่นเป็นระนาบตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่น

กับ คลื่นทรงกลม

คลื่นที่มีพื้นผิวเป็นทรงกลม ทรงกลมของพื้นผิวคลื่นมีศูนย์กลางร่วมกัน

ลักษณะการเคลื่อนที่ของคลื่น

ความยาวคลื่น

ระยะทางที่สั้นที่สุดระหว่างสองเผ่าพันธุ์ที่แกว่งไปมาในเฟสเดียวกันเรียกว่าความยาวคลื่นขึ้นอยู่กับตัวกลางที่คลื่นแพร่กระจายเท่านั้น ที่ความถี่ไวเบรเตอร์เท่ากัน

ความถี่

ความถี่ ν การเคลื่อนที่ของคลื่นขึ้นอยู่กับความถี่ของเครื่องสั่นเท่านั้น

ความเร็วการแพร่กระจายคลื่น

ความเร็ว v= λν . เพราะ
, ที่
. อย่างไรก็ตาม ความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นขึ้นอยู่กับชนิดของสารและสถานะของสาร จาก ν และ λ , ไม่ได้ขึ้นอยู่กับ.

ในก๊าซอุดมคติ
, ที่ไหน ร- ค่าคงที่ของแก๊ส ม- มวลกราม ต- อุณหภูมิสัมบูรณ์ γ - ค่าคงที่สำหรับก๊าซที่กำหนด ρ - ความหนาแน่นของสาร

คลื่นตามขวางในของแข็ง
, ที่ไหน เอ็น- โมดูลัสเฉือน; คลื่นตามยาว
, ที่ไหน ถาม- โมดูลการบีบอัดรอบด้าน ในแท่งแข็ง
ที่ไหน อี- โมดูลัสของยัง

ในของแข็ง คลื่นทั้งตามขวางและตามยาวแพร่กระจายด้วยความเร็วที่ต่างกัน นี่เป็นพื้นฐานในการระบุจุดศูนย์กลางของแผ่นดินไหว

สมการคลื่นระนาบ

รูปร่างหน้าตาของเขา x=x 0 บาป ωt(ที−ล/วี) = x 0 บาป( ωt−กิโล), ที่ไหน เค= 2π /λ - หมายเลขคลื่น ล- ระยะทางที่คลื่นเดินทางจากเครื่องสั่นไปยังจุดที่ต้องการ ก.

การหน่วงเวลาของการแกว่งของจุดในตัวกลาง:
.

การหน่วงเฟสของการแกว่งของจุดในตัวกลาง:
.

ความต่างเฟสระหว่างจุดสั่นสองจุด: ∆ φ =φ 2 −φ 1 = 2π (ล 2 −ล 1)/λ .

พลังงานคลื่น

คลื่นถ่ายโอนพลังงานจากอนุภาคที่สั่นสะเทือนหนึ่งไปยังอีกอนุภาคหนึ่ง อนุภาคมีการเคลื่อนที่แบบสั่นเท่านั้น แต่จะไม่เคลื่อนที่ตามคลื่น: อี=อีเค + อีพี

ที่ไหน อี k คือพลังงานจลน์ของอนุภาคที่สั่น อี n คือพลังงานศักย์ของการเสียรูปยืดหยุ่นของตัวกลาง

ในระดับหนึ่ง วีตัวกลางยืดหยุ่นซึ่งคลื่นที่มีแอมพลิจูดแพร่กระจาย เอ็กซ์ 0 และความถี่ไซคลิก ω มีพลังงานเฉลี่ยอยู่ ว, เท่ากัน
, ที่ไหน ม- มวลของปริมาตรที่จัดสรรของตัวกลาง

ความเข้มของคลื่น

ปริมาณทางกายภาพที่เท่ากับพลังงานที่ถ่ายโอนโดยคลื่นต่อหน่วยเวลาผ่านพื้นที่ผิวหน่วยที่ตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจายของคลื่นเรียกว่า ความเข้มของคลื่น:
. เป็นที่ทราบกันว่า วและ เจ~.

พลังคลื่น

ถ้า สคือพื้นที่ผิวตามขวางที่พลังงานถูกถ่ายเทผ่าน และ เจ- ความเข้มของคลื่น ดังนั้น พลังคลื่นจะเท่ากับ: พี=เจเอส.

ตกลง-10 คลื่นเสียง

ยู คลื่นสปริงที่ทำให้บุคคลได้สัมผัสกับเสียงเรียกว่าคลื่นเสียง

16 –2∙10 4 Hz - เสียงที่ได้ยิน

น้อยกว่า 16 Hz - อินฟราซาวด์;

มากกว่า 2∙10 4 Hz - อัลตราซาวนด์

เกี่ยวกับ
ข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการเกิดคลื่นเสียงคือการมีตัวกลางที่ยืดหยุ่น

ม
กลไกการเกิดคลื่นเสียงจะคล้ายกับการเกิด คลื่นกลในสื่อที่ยืดหยุ่น การสั่นในตัวกลางที่ยืดหยุ่น เครื่องสั่นจะส่งผลต่ออนุภาคของตัวกลาง

เสียงถูกสร้างขึ้นจากแหล่งกำเนิดเสียงเป็นระยะระยะยาว ตัวอย่างเช่น ละครเพลง: เครื่องสาย ส้อมเสียง ผิวปาก การร้องเพลง

เสียงรบกวนเกิดจากแหล่งกำเนิดเสียงในระยะยาว แต่ไม่ใช่เป็นระยะๆ เช่น ฝน ทะเล ฝูงชน

ความเร็วเสียง

ขึ้นอยู่กับตัวกลางและสถานะของมัน สำหรับคลื่นกลใดๆ:

.

ที่ ที= 0°C น้ำ v = 1430 ม./วินาที, เหล็ก v = 5,000 ม./วินาที, อากาศ v = 331 ม./วินาที

เครื่องรับคลื่นเสียง

1. ประดิษฐ์: ไมโครโฟนแปลงกลไก การสั่นสะเทือนของเสียงเข้าไปในเครื่องใช้ไฟฟ้า มีลักษณะเป็นความไว σ :
,σ ขึ้นอยู่กับ ν ซี.วี. .

2. ธรรมชาติ: หู

ความไวของมันรับรู้เสียงที่ ∆ พี= 10 −6 ปาสคาล

ยิ่งความถี่ต่ำลง ν คลื่นเสียงความไวแสงน้อย σ หู. ถ้า ν ซี.วี. ลดลงจาก 1,000 เป็น 100 Hz จากนั้น σ หูลดลง 1,000 เท่า

การเลือกสรรที่ยอดเยี่ยม: วาทยากรจับเสียงของเครื่องดนตรีแต่ละชิ้น

ลักษณะทางกายภาพของเสียง

วัตถุประสงค์

1. แรงดันเสียงคือแรงดันที่กระทำ คลื่นเสียงที่สิ่งกีดขวางตรงหน้าเธอ

2. สเปกตรัมเสียงคือการสลายตัวของคลื่นเสียงที่ซับซ้อนให้เป็นความถี่ส่วนประกอบ

3. ความเข้มคลื่นเสียง:
, ที่ไหน ส- พื้นที่ผิว; ว- พลังงานคลื่นเสียง ที- เวลา;
.

อัตนัย

ปริมาณ,เช่นเดียวกับระดับเสียงสูงต่ำ เสียงมีความเกี่ยวข้องกับความรู้สึกที่เกิดขึ้นในจิตใจของมนุษย์ เช่นเดียวกับความรุนแรงของคลื่น

หูของมนุษย์สามารถรับรู้เสียงที่มีความเข้มตั้งแต่ 10 -12 (เกณฑ์การได้ยิน) ถึง 1 (เกณฑ์ความเจ็บปวด)

ช

ความดังไม่ได้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้ม หากต้องการให้เสียงดังขึ้น 2 เท่า คุณต้องเพิ่มความเข้ม 10 เท่า คลื่นที่มีความเข้ม 10 −2 W/m 2 จะดังกว่าคลื่นที่มีความเข้ม 10 −4 W/m 2 ถึง 4 เท่า เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างความรู้สึกตามวัตถุประสงค์ของความดังและความเข้มของเสียง จึงมีการใช้สเกลลอการิทึม

หน่วยของมาตราส่วนนี้คือ เบล (B) หรือเดซิเบล (dB) (1 dB = 0.1 B) ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ Heinrich Behl ระดับเสียงจะแสดงเป็นเบล:
, ที่ไหน ฉัน 0 = 10 −12 เกณฑ์การได้ยิน (โดยเฉลี่ย)

อี
ถ้า ฉัน= 10 −2 , ที่
.

เสียงดังเป็นอันตรายต่อร่างกายของเรา มาตรฐานสุขอนามัยคือ 30–40 เดซิเบล นี่คือระดับเสียงของการสนทนาที่สงบและเงียบสงบ

โรคทางเสียง: ความดันโลหิตสูง, ตื่นเต้นง่าย, สูญเสียการได้ยิน, เหนื่อยล้า, นอนหลับไม่ดี

ความเข้มและระดับเสียงจากแหล่งต่างๆ: เครื่องบินเจ็ท - 140 dB, 100 W/m2; เพลงร็อคในอาคาร - 120 dB, 1 W/m2; การสนทนาปกติ (50 ซม. จากนั้น) - 65 dB, 3.2∙10 −6 W/m 2

ขว้างขึ้นอยู่กับความถี่การสั่น: มากกว่า > ν , ยิ่งเสียงสูง.

ต
เสียงต่ำช่วยให้คุณแยกแยะระหว่างสองเสียงที่มีระดับเสียงเท่ากันและระดับเสียงที่เกิดจากเครื่องดนตรีต่างกัน ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของสเปกตรัม

อัลตราซาวนด์

ใช้งานได้:เครื่องสะท้อนเสียงสำหรับกำหนดความลึกของทะเล การเตรียมอิมัลชัน (น้ำ น้ำมัน) ชิ้นส่วนซักฟอก หนังฟอก การตรวจจับข้อบกพร่องในผลิตภัณฑ์โลหะ ในทางการแพทย์ ฯลฯ

กระจายไปในระยะทางไกลทั้งในของแข็งและของเหลว ถ่ายโอนพลังงานได้มากกว่าคลื่นเสียงมาก