Zvuková vlna je mechanické pozdĺžne vlnenie určitej frekvencie. V článku pochopíme, čo sú pozdĺžne a priečne vlny, prečo nie každé mechanické vlnenie je zvukové. Zistite rýchlosť vlny a frekvencie, pri ktorých sa zvuk vyskytuje. Poďme zistiť, či je zvuk rovnaký v rôznych prostrediach a naučíme sa, ako zistiť jeho rýchlosť pomocou vzorca.
Zobrazuje sa vlna
Predstavme si vodnú hladinu, napríklad jazierko v pokojnom počasí. Ak hodíte kameň, potom na hladine vody uvidíme kruhy odchyľujúce sa od stredu. A čo sa stane, ak vezmeme nie kameň, ale guľu a uvedieme ju do kmitavého pohybu? Kruhy budú neustále generované vibráciami lopty. Uvidíme približne to isté, čo je zobrazené na počítačovej animácii.
Ak spustíme plavák v určitej vzdialenosti od lopty, bude tiež oscilovať. Keď sa fluktuácie v priebehu času rozchádzajú v priestore, tento proces sa nazýva vlna.
Na štúdium vlastností zvuku (vlnová dĺžka, rýchlosť vlny atď.) je vhodná slávna hračka Rainbow alebo Happy Rainbow.
Natiahnite pružinu, nech sa upokojí a prudko ňou zatrasieme hore-dole. Uvidíme, že sa objavila vlna, ktorá prebehla pozdĺž prameňa a potom sa vrátila späť. To znamená, že sa odráža od prekážky. Pozorovali sme, ako sa vlna šírila pozdĺž prameňa v priebehu času. Častice pružiny sa pohybovali nahor a nadol vzhľadom na svoju rovnováhu a vlna prebiehala doľava a doprava. Takáto vlna sa nazýva priečna vlna. V ňom je smer jeho šírenia kolmý na smer kmitania častíc. V našom prípade bola médiom šírenia vlny pružina.
Teraz natiahnite pružinu, nechajme ju utíšiť a ťahajte tam a späť. Uvidíme, že závity pružiny sú stlačené pozdĺž nej. Vlna prebieha rovnakým smerom. Na jednom mieste je pružina viac stlačená, na inom viac natiahnutá. Takáto vlna sa nazýva pozdĺžna. Smer oscilácie jeho častíc sa zhoduje so smerom šírenia.
Predstavme si husté médium, napríklad tuhé teleso. Ak ho zdeformujeme strihom, vznikne vlna. Objaví sa v dôsledku elastických síl pôsobiacich iba v pevných látkach. Tieto sily zohrávajú úlohu obnovy a vytvárajú elastickú vlnu.
Kvapalinu nemôžete deformovať šmykom. Priečna vlna sa nemôže šíriť v plynoch a kvapalinách. Ďalšia vec je pozdĺžna: šíri sa vo všetkých prostrediach, kde pôsobia elastické sily. V pozdĺžnej vlne sa častice k sebe priblížia, potom sa vzdiali a samotné médium sa stlačí a zriedi.
Mnoho ľudí si myslí, že tekutinynestlačiteľné, ale nie je to tak. Ak zatlačíte na piest striekačky vodou, trochu sa stiahne. V plynoch je možná aj deformácia v tlaku a ťahu. Stlačením piestu prázdnej injekčnej striekačky sa stlačí vzduch.
Rýchlosť a vlnová dĺžka
Vráťme sa k animácii, ktorú sme zvažovali na začiatku článku. Vyberieme ľubovoľný bod na jednom z kruhov odchyľujúcich sa od podmienenej gule a nasledujeme ho. Bod sa vzďaľuje od stredu. Rýchlosť, ktorou sa pohybuje, je rýchlosť hrebeňa vĺn. Môžeme dospieť k záveru: jednou z charakteristík vlny je rýchlosť vlny.
Animácia ukazuje, že vrcholy vĺn sú umiestnené v rovnakej vzdialenosti. Toto je vlnová dĺžka - ďalšia z jeho charakteristík. Čím častejšie sú vlny, tým je ich dĺžka kratšia.
Prečo nie každé mechanické vlnenie je zvukové
Vezmite si hliníkové pravítko.
Je to skákacie, takže je to dobré pre zážitok. Položíme pravítko na okraj stola a stlačíme ho rukou tak, aby silno vyčnievalo. Zatlačíme na jeho okraj a prudko uvoľníme - voľná časť začne vibrovať, ale nebude počuť žiadny zvuk. Ak pravítko len o kúsok vysuniete, vibrácie krátkeho okraja vytvoria zvuk.
Čo ukazuje táto skúsenosť? Ukazuje, že zvuk vzniká iba vtedy, keď sa teleso pohybuje dostatočne rýchlo, keď je rýchlosť vĺn v médiu vysoká. Uveďme ešte jednu charakteristiku vlny - frekvenciu. Táto hodnota ukazuje, koľko vibrácií telo robí za sekundu. Keď vo vzduchu vytvoríme vlnu, zvuk vzniká za určitých podmienok – keď je dosťvysoká frekvencia.
Je dôležité pochopiť, že zvuk nie je vlna, hoci súvisí s mechanickými vlnami. Zvuk je pocit, ktorý vzniká, keď zvukové (akustické) vlny vstupujú do ucha.
Vráťme sa k vládcovi. Pri vysunutí väčšej časti sa pravítko kýve a nevydáva žiadny zvuk. Vytvára to vlnu? Iste, ale je to mechanická vlna, nie zvuková vlna. Teraz môžeme definovať zvukovú vlnu. Ide o mechanické pozdĺžne vlnenie, ktorého frekvencia je v rozsahu od 20 Hz do 20 tisíc Hz. Ak je frekvencia nižšia ako 20 Hz alebo vyššia ako 20 kHz, nebudeme ju počuť, hoci sa vyskytnú vibrácie.
Zdroj zvuku
Zdrojom akustických vĺn môže byť akékoľvek oscilujúce teleso, potrebuje len elastické médium, napríklad vzduch. Vibrovať môže nielen pevné teleso, ale aj kvapalina a plyn. Vzduch ako zmes niekoľkých plynov môže byť nielen médiom šírenia, ale sám je schopný generovať akustickú vlnu. Práve jeho vibrácie sú základom zvuku dychových nástrojov. Flauta ani trúbka nevibrujú. Je to vzduch, ktorý je riedený a stlačený, dáva určitú rýchlosť vlne, v dôsledku čoho počujeme zvuk.
Šírenie zvuku v rôznych prostrediach
Zistili sme, že znejú rôzne látky: kvapalné, pevné, plynné. To isté platí pre schopnosť viesť akustickú vlnu. Zvuk sa šíri v akomkoľvek elastickom prostredí (kvapalnom, pevnom, plynnom), okrem vákua. V prázdnom priestore, povedzme na Mesiaci, nebudeme počuť zvuk vibrujúceho telesa.
Väčšina zvukov vnímaných ľuďmi sa šíri vzduchom. Ryby, medúzy počujú akustickú vlnu rozchádzajúcu sa cez vodu. My, ak sa ponoríme pod vodu, budeme počuť aj hluk okoloidúceho motorového člna. Navyše vlnová dĺžka a rýchlosť vlny budú vyššie ako vo vzduchu. To znamená, že zvuk motora ako prvý začuje osoba potápajúca sa pod vodou. Rybár, ktorý sedí vo svojej lodi na tom istom mieste, bude počuť hluk neskôr.
V pevných látkach sa zvuk šíri ešte lepšie a rýchlosť vĺn je vyššia. Ak si k uchu priložíte tvrdý predmet, najmä kovový, a poklepete naň, budete počuť veľmi dobre. Ďalším príkladom je váš vlastný hlas. Keď prvýkrát počujeme našu reč, predtým nahranú na hlasovom záznamníku alebo z videa, hlas sa nám zdá cudzí. Prečo sa to deje? Pretože v živote nepočujeme ani tak zvukové vibrácie z úst, ako vibrácie vĺn, ktoré prechádzajú kosťami našej lebky. Zvuk odrazený od týchto prekážok sa trochu mení.
Rýchlosť zvuku
Rýchlosť zvukovej vlny, ak vezmeme do úvahy rovnaký zvuk, sa bude v rôznych prostrediach líšiť. Čím je médium hustejšie, tým rýchlejšie sa zvuk dostane do nášho ucha. Vlak môže ísť od nás tak ďaleko, že zvuk kolies ešte nebude počuť. Ak však priložíte ucho ku koľajniciam, zreteľne počujeme dunenie.
To naznačuje, že zvukové vlny sa šíria rýchlejšie v pevných látkach ako vo vzduchu. Obrázok ukazuje rýchlosť zvuku v rôznych prostrediach.
Vlnová rovnica
Rýchlosť, frekvencia a vlnová dĺžka sú vzájomne prepojené. Pre telesá, ktoré vibrujú vysokou frekvenciou, je vlna kratšia. Nízkofrekvenčné zvuky je možné počuť na väčšiu vzdialenosť, pretože majú dlhšiu vlnovú dĺžku. Existujú dve vlnové rovnice. Ilustrujú vzájomnú závislosť vlnových charakteristík od seba. Keď poznáte z rovníc akékoľvek dve veličiny, môžete vypočítať tretiu:
с=ν × λ, kde c je rýchlosť, ν je frekvencia, λ je vlnová dĺžka.
Druhá rovnica akustickej vlny:
s=λ / T, kde T je perióda, t.j. čas, za ktorý telo vykoná jednu osciláciu.
