Билет № 8. Механические колебания. Механические волны. Звук. Колебания в природе и технике.

Движения, обладающие той или иной степенью повторяемости, называются механическими колебаниями. Колебания бывают свободными и вынужденными.

Колебания, происходящие только благодаря начальному запасу энергии, называются свободными колебаниями.

Система тел, которые способны совершать свободные колебания, называются колебательными системами. Общие свойства всех колебательных систем:

1. Наличие положения устойчивого равновесия.

2. Наличие силы, возвращающей систему в положение равновесия.
Наиболее часто рассматривают движения двух колебательных систем: нитяного и пружинного маятников. Математическим маятником называется нитяной маятник, если масса подвешенного к нити груза много больше массы нити, а длина нити много больше размеров тела.

Характеристики колебательного движения:

1. Амплитуда — наибольшее (по модулю) отклонение тела от положения равновесия. Обозначается А или Х_max, измеряется в метрах (м).

2. Период — промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание. Обозначается T, измеряется в метрах (c). Период можно найти, зная время колебаний t и число колебаний N, совершенных телом за это время: T=t/N.

Период нитяного (математического)маятника зависит от длины нити и ускорения свободного падения; пружинного маятника – зависит от жесткости пружины и массы подвешенного груза:

, .

3. Частота — число колебаний в единицу времени. Обозначается ν, измеряется в герцах (Гц=c^-1). Частота-величина, обратная периоду колебаний: ν =1/ T.

4. Смещение – это отклонение тела от положения равновесия. Обозначается Х, измеряется в метрах (м).

5. Фаза колебаний определяет координату тела в данный момент времени. Если тела совершают синхронные движения при колебаниях (их скорости всегда сонаправлены), говорят, что колебания происходят в фазе.

Если тела движутся так, что их скорости всегда противоположно направлены по отношению друг к другу, говорят, что колебания происходят в противофазе.

Например. Два нитяных маятника движутся навстречу друг другу из точек Х₁ =А и Х₂ = -А. При этом период колебаний тел одинаков. Это движение - в противофазе.

При колебаниях периодически происходит переход кинетической энергии движения тел в потенциальную энергию и обратно.

Так как при движении тел присутствует сила трения, амплитуда свободных колебаний постепенно уменьшается, что приводит к их затуханию.

Вынужденные колебания – это колебания, происходящие под действием внешней, периодической силы. Амплитуда таких колебаний зависит от частоты вынуждающей силы. Если она равна собственной частоте колебательной системы, возникает резонанс – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний.

Возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения, называются волнами. Упругие волны – это волны, распространяющиеся в упругой среде. В бегущей волне происходит переноса энергии без переноса вещества.

Необходимым условием возникновения волны является появление в момент возникновения

возмущения препятствующих ему сил, например сил упругости. По характеру колебаний волны делятся на продольные и поперечные:

1. Продольная волна- это волна, в которой колебания происходят вдоль направления ее распространения. Продольные волны – это волны растяжения и сжатия, они могут распространяться в любых средах.

2. Поперечная — волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению их
распространения. Поперечные волны – это волны сдвига, они могут распространяться только в твердых средах.

Характеристики волны:

1. Длина волны — расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Обозначается λ, измеряется в метрах (м).

2. Скорость волны — величина численно равная расстоянию, на которое распространяется волна за единицу времени.

Они связаны соотношением: λ=υ·T=υ/ν.

Примером продольных волн являются звуковые волны. Ухо человека воспринимает в виде звука колебания с частотой от 20 Гц до 20000 Гц.

Источник звука — тело, колеблющееся со звуковой частотой.

Приемник звука — тело способное воспринимать звуковые колебания. Звуковые волны не могут распространяться в вакууме.

Скорость звука — расстояние, на которое распространяется звуковая волна за 1 секунду. Она зависит от:

1. Среды, а именно вещества, а также его агрегатного состояния: твердое тело, жидкость, газ. Чем выше плотность вещества, тем выше скорость волны. Чем больше силы взаимодействия между молекулами, тем выше скорость волны.

2. Температуры. Чем выше температура, тем больше скорость хаотического движения молекул, а, следовательно, скорость волны.
Характеристики звука:

1. Высота звука — зависит от частоты колебаний. Чем выше частота, тем выше звук.

2. Громкость. Зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Громкость звука влияет на самочувствие человека. Если он постоянно находится там, где шумно, становится раздражительным, быстрее устает. Громкость звука определяется в децибелах. Громкость около 130 дб может привести к потере слуха.

3. Тембр звука. Зависит от обертонов (дополнительных частот колебаний), присутствующих в волне.

Практическое применение получили как звуковые волны, так и ультразвуковые, с частотой более 20000 Гц (эхолокация, ультразвуковые исследования в медицине и др.), и инфразвуковые, с частотой менее 20Гц (медицина, исследование земных недр и др.).