Zvočni val je mehanski vzdolžni val določene frekvence. V članku bomo razumeli, kaj so vzdolžni in prečni valovi, zakaj ni vsak mehanski val zvok. Ugotovite hitrost valovanja in frekvence, pri katerih se zvok pojavlja. Ugotovimo, ali je zvok enak v različnih okoljih in se naučimo, kako najti njegovo hitrost s formulo.
Pojavi se val
Predstavimo si vodno gladino, na primer ribnik v mirnem vremenu. Če vržete kamen, bomo na površini vode videli kroge, ki se razhajajo od središča. In kaj se bo zgodilo, če vzamemo ne kamen, ampak kroglo in jo spravimo v nihajno gibanje? Vibracije žoge bodo nenehno ustvarjale kroge. Videli bomo približno enako, kot je prikazano v računalniški animaciji.
Če spustimo plovec na določeno razdaljo od žoge, bo tudi nihal. Ko se nihanja skozi čas razhajajo v prostoru, se ta proces imenuje val.
Za preučevanje lastnosti zvoka (valovna dolžina, valovna hitrost itd.) je primerna znamenita mavrična igrača ali Happy Rainbow.
Raztegnimo vzmet, naj se umiri in jo močno stresemo gor in dol. Videli bomo, da se je pojavil val, ki je tekel ob izviru in se nato vrnil nazaj. To pomeni, da se odbija od ovire. Opazovali smo, kako se val sčasoma širi vzdolž izvira. Delci vzmeti so se premikali gor in dol glede na svoje ravnotežje, val pa je tekel levo in desno. Takšen val se imenuje prečni val. V njej je smer njegovega širjenja pravokotna na smer nihanja delcev. V našem primeru je bil medij za širjenje valov vzmet.
Zdaj raztegnimo vzmet, naj se umiri in potegni naprej in nazaj. Videli bomo, da so tuljave vzmeti stisnjene vzdolž nje. Val teče v isti smeri. Na enem mestu je vzmet bolj stisnjena, na drugem bolj raztegnjena. Takšen val se imenuje vzdolžni. Smer nihanja njegovih delcev sovpada s smerjo širjenja.
Predmislimo si gost medij, na primer togo telo. Če ga deformiramo s striženjem, bo nastal val. Pojavil se bo zaradi elastičnih sil, ki delujejo samo v trdnih snoveh. Te sile igrajo vlogo obnavljanja in ustvarjanja elastičnega vala.
Tekočine ne morete deformirati s striženjem. Prečni val se ne more širiti v plinih in tekočinah. Druga stvar je vzdolžna: širi se v vseh okoljih, kjer delujejo elastične sile. V vzdolžnem valu se delci približajo drug drugemu, nato se odmaknejo, sam medij pa se stisne in redči.
Mnogi ljudje mislijo, da so tekočinenestisljivo, vendar temu ni tako. Če pritisnete na bat brizge z vodo, se bo ta nekoliko skrčila. Pri plinih je možna tudi tlačno-natezna deformacija. S pritiskom na bat prazne brizge se zrak stisne.
Hitrost in valovna dolžina
Vrnimo se k animaciji, ki smo jo obravnavali na začetku članka. Na enem od krogov, ki odstopajo od pogojne krogle, izberemo poljubno točko in ji sledimo. Točka se odmakne od središča. Hitrost, s katero se premika, je hitrost valovnega grebena. Sklepamo lahko: ena od značilnosti vala je hitrost vala.
Animacija kaže, da se vrhovi vala nahajajo na enaki razdalji. To je valovna dolžina - še ena od njenih značilnosti. Bolj pogosti so valovi, krajša je njihova dolžina.
Zakaj ni vsak mehanski val zvok
Vzemite aluminijasto ravnilo.
Je poskočen, zato je dober za izkušnjo. Ravnilo položimo na rob mize in ga z roko pritisnemo, da močno štrli. Pritisnemo na njen rob in ga ostro sprostimo - prosti del bo začel vibrirati, vendar zvoka ne bo. Če le malo razširite ravnilo, bo vibracija kratkega roba ustvarila zvok.
Kaj kaže ta izkušnja? Dokazuje, da se zvok pojavi le, ko se telo giblje dovolj hitro, ko je hitrost valovanja v mediju visoka. Naj predstavimo še eno značilnost vala - frekvenco. Ta vrednost kaže, koliko tresljajev na sekundo naredi telo. Ko ustvarimo val v zraku, se zvok pojavi pod določenimi pogoji – ko je dovoljvisoka frekvenca.
Pomembno je razumeti, da zvok ni val, čeprav je povezan z mehanskimi valovi. Zvok je občutek, ki se pojavi, ko zvočni (akustični) valovi vstopijo v uho.
Vrnimo se k vladarju. Ko je večji del iztegnjen, ravnilo niha in ne oddaja zvoka. Ali to ustvarja val? Seveda, toda to je mehanski val, ne zvočni val. Zdaj lahko definiramo zvočni val. To je mehanski vzdolžni val, katerega frekvenca je v območju od 20 Hz do 20 tisoč Hz. Če je frekvenca manjša od 20 Hz ali večja od 20 kHz, je ne bomo slišali, čeprav se bodo pojavile vibracije.
Vir zvoka
Vsako nihajoče telo je lahko vir akustičnih valov, potrebuje le elastičen medij, na primer zrak. Ne samo trdno telo lahko vibrira, ampak tudi tekočina in plin. Zrak kot mešanica več plinov ni lahko le medij za razmnoževanje - sam je sposoben ustvariti zvočni val. Njegove vibracije so osnova zvoka pihal. Flavta ali trobenta ne vibrira. To je zrak, ki je redčen in stisnjen, daje valu določeno hitrost, zaradi česar slišimo zvok.
Širjenje zvoka v različnih okoljih
Ugotovili smo, da zvenijo različne snovi: tekoče, trdne, plinaste. Enako velja za sposobnost vodenja akustičnega vala. Zvok se širi v katerem koli elastičnem mediju (tekočem, trdnem, plinastem), razen v vakuumu. V praznem prostoru, recimo na luni, ne bomo slišali zvoka vibrirajočega telesa.
Večina zvokov, ki jih zaznavajo ljudje, je v zraku. Ribe, meduze slišijo zvočni val, ki se razhaja skozi vodo. Če se potopimo pod vodo, bomo slišali tudi hrup mimohodnega motornega čolna. Poleg tega bosta valovna dolžina in valovna hitrost višji kot v zraku. To pomeni, da bo zvok motorja prvi slišal oseba, ki se potaplja pod vodo. Ribič, ki sedi v svojem čolnu na istem mestu, bo kasneje slišal hrup.
V trdnih snoveh zvok potuje še bolje in valovna hitrost je višja. Če si prislonite trd predmet, predvsem kovinski, na uho in ga tapkate, boste zelo dobro slišali. Drug primer je vaš lasten glas. Ko prvič slišimo svoj govor, ki je bil prej posnet na diktafonu ali iz videa, se zdi glas tujec. Zakaj se to dogaja? Ker v življenju ne slišimo toliko zvočnih vibracij iz ust kot vibracij valov, ki prehajajo skozi kosti naše lobanje. Zvok, ki se odbija od teh ovir, se nekoliko spremeni.
Hitrost zvoka
Hitrost zvočnega vala, če upoštevamo isti zvok, bo v različnih okoljih različna. Čim gostejši je medij, tem hitreje zvok doseže naše uho. Vlak lahko gre tako daleč od nas, da se zvok koles še ne bo slišal. Če pa prislonite uho na tirnice, lahko jasno slišimo ropot.
To nakazuje, da zvočni valovi potujejo hitreje v trdnih snoveh kot v zraku. Slika prikazuje hitrost zvoka v različnih okoljih.
valovna enačba
Hitrost, frekvenca in valovna dolžina so medsebojno povezani. Pri telesih, ki vibrirajo z visoko frekvenco, je val krajši. Nizkofrekvenčne zvoke je mogoče slišati na večji razdalji, ker imajo daljšo valovno dolžino. Obstajata dve valovni enačbi. Ponazarjajo medsebojno odvisnost valovnih značilnosti. Če poznate kateri koli dve količini iz enačb, lahko izračunate tretjo:
с=ν × λ, kjer je c hitrost, ν frekvenca, λ valovna dolžina.
Druga akustična valovna enačba:
s=λ / T, kjer je T obdobje, to je čas, za katerega telo naredi eno nihanje.
