Gelombang mekanik dan sifat-sifatnya. Melambai

Kuliah – 14. Gelombang mekanik.

2. Gelombang mekanik.

3. Sumber gelombang mekanik.

4. Titik sumber gelombang.

5. Gelombang transversal.

6. Gelombang memanjang.

7. Gelombang depan.

9. Gelombang periodik.

10. Gelombang harmonik.

11. Panjang gelombang.

12. Kecepatan penyebaran.

13. Ketergantungan cepat rambat gelombang pada sifat medium.

14. Prinsip Huygens.

15. Pemantulan dan pembiasan gelombang.

16. Hukum pemantulan gelombang.

17. Hukum pembiasan gelombang.

18. Persamaan gelombang bidang.

19. Energi dan intensitas gelombang.

20. Prinsip superposisi.

21. Osilasi yang koheren.

22. Gelombang koheren.

23. Interferensi gelombang. a) kondisi interferensi maksimum, b) kondisi interferensi minimum.

24. Interferensi dan hukum kekekalan energi.

25. Difraksi gelombang.

26. Prinsip Huygens – Fresnel.

27. Gelombang terpolarisasi.

29. Volume suara.

30. Nada suara.

31. Timbre suara.

32. USG.

33. Infrasonik.

34. Efek Doppler.

1.Melambai - Ini adalah proses perambatan getaran kuantitas fisik apa pun di ruang angkasa. Misalnya, gelombang suara dalam gas atau cairan mewakili perambatan fluktuasi tekanan dan kepadatan di media tersebut. Gelombang elektromagnetik adalah proses perambatan osilasi kekuatan medan magnet listrik di ruang angkasa.

Energi dan momentum dapat berpindah dalam ruang melalui perpindahan materi. Setiap benda yang bergerak mempunyai energi kinetik. Oleh karena itu, ia mentransfer energi kinetik dengan mengangkut materi. Benda yang sama, ketika dipanaskan, bergerak di ruang angkasa, mentransfer energi panas, mentransfer materi.

Partikel-partikel medium elastis saling berhubungan. Gangguan, mis. penyimpangan dari posisi kesetimbangan satu partikel diteruskan ke partikel tetangga, mis. energi dan momentum berpindah dari satu partikel ke partikel tetangganya, sementara setiap partikel tetap berada di dekat posisi kesetimbangannya. Dengan demikian, energi dan momentum berpindah sepanjang rantai dari satu partikel ke partikel lainnya dan tidak terjadi perpindahan materi.

Jadi, proses gelombang merupakan proses perpindahan energi dan momentum dalam ruang tanpa adanya perpindahan materi.

2. Gelombang mekanik atau gelombang elastis– gangguan (osilasi) yang merambat dalam medium elastis. Media elastis tempat merambatnya gelombang mekanik adalah udara, air, kayu, logam, dan zat elastis lainnya. Gelombang elastis disebut gelombang suara.

3. Sumber gelombang mekanik- benda yang melakukan gerak osilasi ketika berada dalam medium elastis, misalnya menggetarkan garpu tala, senar, pita suara.

4. Sumber gelombang titik – sumber gelombang yang besarnya dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak rambat gelombang.

5. Gelombang transversal – gelombang yang partikel mediumnya berosilasi dengan arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Misalnya gelombang pada permukaan air merupakan gelombang transversal, karena getaran partikel air terjadi pada arah tegak lurus arah permukaan air, dan gelombang merambat sepanjang permukaan air. Gelombang transversal merambat sepanjang tali, salah satu ujungnya tetap, ujung lainnya berosilasi pada bidang vertikal.

Gelombang transversal hanya dapat merambat sepanjang antarmuka antara media yang berbeda.

6. Gelombang memanjang – gelombang yang terjadi osilasi searah dengan rambat gelombang. Gelombang longitudinal terjadi pada pegas heliks panjang jika salah satu ujungnya mengalami gangguan periodik yang diarahkan sepanjang pegas. Gelombang elastis yang berjalan sepanjang pegas mewakili rangkaian kompresi dan ekstensi yang merambat (Gbr. 88)

Gelombang longitudinal hanya dapat merambat di dalam medium elastis, misalnya di udara, di dalam air. Pada benda padat dan cair, baik melintang maupun gelombang memanjang, Karena benda padat dan zat cair selalu dibatasi oleh suatu permukaan – antarmuka antara dua media. Misalnya, jika ujung batang baja dipukul dengan palu, maka deformasi elastis akan mulai menyebar di dalamnya. Gelombang transversal akan merambat sepanjang permukaan batang, dan gelombang longitudinal (kompresi dan penghalusan medium) akan merambat di dalamnya (Gbr. 89).

7. Muka gelombang (permukaan gelombang)– kedudukan geometri titik-titik yang berosilasi dalam fase yang sama. Pada permukaan gelombang, fase-fase titik-titik osilasi pada momen waktu yang ditinjau mempunyai nilai yang sama. Jika sebuah batu dilempar ke dalam telaga yang tenang, maka gelombang melintang yang berbentuk lingkaran akan mulai merambat ke seluruh permukaan telaga dari tempat jatuhnya, dengan pusat di tempat jatuhnya batu tersebut. Dalam contoh ini, muka gelombang berbentuk lingkaran.

Pada gelombang bola, muka gelombang berbentuk bola. Gelombang seperti itu dihasilkan oleh sumber titik.

Pada jarak yang sangat jauh dari sumber, kelengkungan muka gelombang dapat diabaikan dan muka gelombang dianggap datar. Dalam hal ini gelombang disebut bidang.

8. Balok – lurus garis normal terhadap permukaan gelombang. Pada gelombang bola, sinar diarahkan sepanjang jari-jari bola dari pusat tempat sumber gelombang berada (Gbr. 90).

Pada gelombang bidang, sinar diarahkan tegak lurus permukaan depan (Gbr. 91).

9. Gelombang periodik. Ketika berbicara tentang gelombang, yang kami maksud adalah gangguan tunggal yang merambat di ruang angkasa.

Jika sumber gelombang melakukan osilasi terus menerus, maka gelombang elastis yang merambat satu demi satu muncul dalam medium. Gelombang seperti ini disebut periodik.

10. Gelombang harmonik– gelombang yang dihasilkan oleh osilasi harmonik. Jika sumber gelombang melakukan osilasi harmonik, maka sumber gelombang tersebut menghasilkan gelombang harmonik - gelombang di mana partikel-partikelnya bergetar menurut hukum harmonik.

11. Panjang gelombang. Biarkan gelombang harmonik merambat sepanjang sumbu OX, dan osilasi di dalamnya terjadi searah sumbu OY. Gelombang ini bersifat transversal dan dapat digambarkan sebagai gelombang sinus (Gbr. 92).

Gelombang seperti itu dapat diperoleh dengan menimbulkan getaran pada bidang vertikal ujung bebas kabel.

Panjang gelombang adalah jarak antara dua titik terdekat A dan B, berosilasi dalam fase yang sama (Gbr. 92).

12. Kecepatan rambat gelombang– besaran fisis yang secara numerik sama dengan kecepatan rambat getaran di ruang angkasa. Dari Gambar. 92 maka waktu selama osilasi merambat dari titik ke titik A ke titik DI DALAM, yaitu pada jarak tertentu panjang gelombangnya sama dengan periode osilasi. Oleh karena itu, kecepatan rambat gelombang adalah sama dengan

13. Ketergantungan kecepatan rambat gelombang pada sifat-sifat medium. Frekuensi osilasi pada saat terjadinya gelombang hanya bergantung pada sifat-sifat sumber gelombang dan tidak bergantung pada sifat-sifat mediumnya. Kecepatan rambat gelombang bergantung pada sifat mediumnya. Oleh karena itu, panjang gelombang berubah ketika melintasi antarmuka antara dua media berbeda. Cepat rambat gelombang bergantung pada hubungan antara atom dan molekul medium. Ikatan antara atom dan molekul dalam cairan dan padatan jauh lebih erat dibandingkan dalam gas. Oleh karena itu, cepat rambat gelombang bunyi dalam zat cair dan padat jauh lebih besar dibandingkan dalam gas. Di udara kecepatan suara adalah kondisi normal sama dengan 340, dalam air 1500, dan dalam baja 6000.

Kecepatan rata-rata gerak termal molekul dalam gas menurun dengan menurunnya suhu dan, sebagai akibatnya, kecepatan rambat gelombang dalam gas menurun. Dalam medium yang lebih padat dan karenanya lebih inert, kecepatan gelombangnya lebih rendah. Jika bunyi merambat di udara, kecepatannya bergantung pada massa jenis udara. Dimana kepadatan udara lebih besar, kecepatan suara lebih kecil. Dan sebaliknya, dimana kepadatan udara lebih kecil, kecepatan suara lebih besar. Akibatnya, ketika suara merambat, muka gelombang terdistorsi. Di atas rawa atau di atas danau, terutama pada malam hari, kepadatan udara di dekat permukaan akibat uap air lebih besar dibandingkan pada ketinggian tertentu. Oleh karena itu, cepat rambat bunyi di dekat permukaan air lebih kecil dibandingkan pada ketinggian tertentu. Akibatnya, muka gelombang terbentang sedemikian rupa bagian atas bagian depannya semakin membengkok ke arah permukaan danau. Ternyata energi gelombang yang merambat di sepanjang permukaan danau dan energi gelombang yang merambat membentuk sudut terhadap permukaan danau bertambah. Oleh karena itu, pada malam hari suara tersebut merambat jauh ke seberang danau. Bahkan percakapan pelan terdengar di seberang sungai.

14. Prinsip Huygens– setiap titik di permukaan yang dicapai gelombang pada saat tertentu merupakan sumber gelombang sekunder. Menggambar permukaan yang bersinggungan dengan bagian depan semua gelombang sekunder, kita memperoleh muka gelombang pada saat berikutnya.

Mari kita perhatikan, misalnya, gelombang merambat sepanjang permukaan air dari suatu titik TENTANG(Gbr.93) Biarkan pada saat waktu T bagian depannya berbentuk lingkaran berjari-jari R terpusat pada suatu titik TENTANG. Pada saat berikutnya, setiap gelombang sekunder akan mempunyai bagian depan berbentuk lingkaran dengan jari-jari dimana V– kecepatan rambat gelombang. Menggambar permukaan yang bersinggungan dengan muka gelombang sekunder, kita memperoleh muka gelombang pada saat itu (Gbr. 93)

Jika suatu gelombang merambat dalam medium kontinu, maka muka gelombangnya berbentuk bola.

15. Pemantulan dan pembiasan gelombang. Ketika gelombang jatuh pada antarmuka antara dua media yang berbeda, setiap titik pada permukaan ini, menurut prinsip Huygens, menjadi sumber gelombang sekunder yang merambat di kedua sisi permukaan. Oleh karena itu, ketika melintasi antarmuka antara dua media, gelombang dipantulkan sebagian dan sebagian lagi melewati permukaan ini. Karena Karena medianya berbeda, maka cepat rambat gelombang di dalamnya pun berbeda. Oleh karena itu, ketika melintasi antarmuka antara dua media, arah rambat gelombang berubah, yaitu. terjadi pembiasan gelombang. Mari kita perhatikan, berdasarkan prinsip Huygens, proses dan hukum pemantulan dan pembiasan.

16. Hukum Refleksi Gelombang. Biarkan gelombang bidang jatuh pada antarmuka datar antara dua media berbeda. Mari kita pilih luas antara dua sinar dan (Gbr. 94)

Sudut datang - sudut antara sinar datang dan tegak lurus antarmuka pada titik datang.

Sudut pantul adalah sudut antara sinar pantul dan tegak lurus antarmuka pada titik datang.

Pada saat berkas mencapai antarmuka di titik , titik tersebut akan menjadi sumber gelombang sekunder. Muka gelombang pada saat ini ditandai dengan ruas garis lurus AC(Gbr.94). Akibatnya, pada saat ini berkas masih harus menempuh jalur menuju antarmuka TIDAK. Biarkan sinar menempuh jalur ini tepat pada waktunya. Sinar datang dan sinar pantul merambat pada satu sisi antarmuka, sehingga kecepatannya sama dan setara V. Kemudian .

Selama ini gelombang sekunder dari titik tersebut A akan pergi sesuai keinginannya. Karena itu . Segitiga Siku-siku dan setara, karena - sisi miring dan kaki biasa. Dari persamaan segitiga mengikuti persamaan sudut . Tapi juga, yaitu. .

Sekarang mari kita rumuskan hukum pemantulan gelombang: sinar datang, sinar pantul , tegak lurus terhadap antarmuka antara dua media, dikembalikan pada titik datangnya, keduanya terletak pada bidang yang sama; sudut datang sama dengan sudut refleksi.

17. Hukum pembiasan gelombang. Biarkan gelombang bidang melewati antarmuka datar antara dua media. Lebih-lebih lagi sudut datangnya berbeda dari nol (Gbr. 95).

Sudut bias adalah sudut antara sinar bias dan tegak lurus antarmuka, yang dikembalikan pada titik datang.

Mari kita nyatakan juga kecepatan rambat gelombang pada media 1 dan 2. Pada saat berkas mencapai antarmuka di titik tersebut A, titik ini akan menjadi sumber gelombang yang merambat pada medium kedua - sinar, dan sinar tersebut masih harus merambat ke permukaan permukaan. Misalkan waktu yang dibutuhkan sinar untuk melakukan perjalanan TIDAK, Kemudian . Dalam waktu yang sama, pada medium kedua sinar akan menempuh lintasan . Karena , lalu dan .

Segitiga dan persegi panjang yang mempunyai sisi miring yang sama, dan =, adalah sudut-sudut yang sisi-sisinya saling tegak lurus. Untuk sudut dan kami menulis persamaan berikut

.

Mengingat itu , , kita dapatkan

Sekarang mari kita rumuskan hukum pembiasan gelombang: Sinar datang, sinar bias, dan garis tegak lurus antarmuka antara dua media, dipugar pada titik datang, terletak pada bidang yang sama; perbandingan sinus sudut datang dengan sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media tertentu dan disebut indikator relatif pembiasan pada dua media tertentu.

18. Persamaan gelombang bidang. Partikel medium terletak pada jarak tertentu S dari sumber gelombang mulai berosilasi hanya ketika gelombang mencapainya. Jika V adalah kecepatan rambat gelombang, maka osilasi akan dimulai dengan penundaan waktu

Jika sumber gelombang berosilasi menurut hukum harmonik, maka untuk partikel yang terletak pada jarak tertentu S dari sumbernya kita tuliskan hukum osilasi dalam bentuk

.

Mari masukkan nilainya , disebut bilangan gelombang. Ini menunjukkan berapa banyak panjang gelombang yang cocok pada jarak yang sama dengan satuan panjang. Sekarang hukum osilasi suatu partikel medium yang terletak pada jarak tertentu S dari sumbernya akan kami tulis di formulir

.

Persamaan ini menentukan perpindahan suatu titik osilasi sebagai fungsi waktu dan jarak dari sumber gelombang dan disebut persamaan gelombang bidang.

19. Energi dan intensitas gelombang. Setiap partikel yang dijangkau gelombang bergetar dan karenanya memiliki energi. Biarkan gelombang dengan amplitudo merambat dalam volume tertentu dari media elastis A dan frekuensi siklik. Artinya energi getaran rata-rata pada volume tertentu adalah sama

Di mana M - massa volume media yang dialokasikan.

Kepadatan rata-rata energi (rata-rata terhadap volume) adalah energi gelombang per satuan volume medium

, dimana adalah massa jenis medium.

Intensitas gelombang– besaran fisis yang secara numerik sama dengan energi yang dipindahkan gelombang per satuan waktu melalui satuan luas bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang (melalui satuan luas muka gelombang), mis.

.

Daya gelombang rata-rata adalah rata-rata total energi yang dipindahkan gelombang per satuan waktu melalui suatu permukaan yang mempunyai luas S. Kita memperoleh kekuatan gelombang rata-rata dengan mengalikan intensitas gelombang dengan luas S

20.Prinsip superposisi (overlay). Jika gelombang dari dua atau lebih sumber merambat dalam medium elastis, maka, seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan, gelombang-gelombang tersebut melewati satu sama lain tanpa mempengaruhi satu sama lain sama sekali. Dengan kata lain gelombang-gelombang tersebut tidak saling berinteraksi. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam batas deformasi elastis, kompresi dan tegangan dalam satu arah tidak mempengaruhi sifat elastis dalam arah lain.

Jadi, setiap titik dalam medium di mana dua atau lebih gelombang datang mengambil bagian dalam osilasi yang disebabkan oleh masing-masing gelombang. Dalam hal ini, perpindahan yang dihasilkan suatu partikel medium pada suatu waktu sama dengan jumlah geometri perpindahan yang disebabkan oleh setiap proses osilasi yang dihasilkan. Inilah inti dari prinsip superposisi atau superposisi getaran.

Hasil penambahan osilasi tergantung pada amplitudo, frekuensi dan beda fasa dari proses osilasi yang dihasilkan.

21. Osilasi yang koheren – osilasi dengan frekuensi yang sama dan beda fasa konstan terhadap waktu.

22.Gelombang yang koheren– gelombang dengan frekuensi yang sama atau panjang gelombang yang sama, perbedaan fasanya pada suatu titik tertentu dalam ruang tetap konstan terhadap waktu.

23.Interferensi gelombang– fenomena peningkatan atau penurunan amplitudo gelombang yang dihasilkan ketika dua atau lebih gelombang koheren ditumpangkan.

A) . Interferensi kondisi maksimum. Biarkan gelombang dari dua sumber yang koheren bertemu pada satu titik A(Gbr.96).

Perpindahan partikel medium pada suatu titik A, yang disebabkan oleh masing-masing gelombang secara terpisah, akan kita tuliskan sesuai persamaan gelombang dalam bentuk

dimana dan , , - amplitudo dan fase osilasi yang disebabkan oleh gelombang pada suatu titik A, dan merupakan jarak titik tersebut, - perbedaan jarak tersebut atau perbedaan arah gelombang.

Karena perbedaan arah gelombang, gelombang kedua tertunda dibandingkan gelombang pertama. Artinya fase osilasi pada gelombang pertama lebih maju dari fase osilasi pada gelombang kedua, yaitu. . Perbedaan fase mereka tetap konstan sepanjang waktu.

Untuk langsung ke intinya A partikel berosilasi dengan amplitudo maksimum, puncak kedua gelombang atau lembahnya harus mencapai titik tersebut A serempak dalam fasa yang sama atau dengan beda fasa sama dengan , dimana N - bilangan bulat, dan - adalah periode fungsi sinus dan kosinus,

Oleh karena itu, di sini kita tuliskan kondisi interferensi maksimum dalam bentuk

Dimana bilangan bulat.

Jadi, ketika gelombang koheren ditumpangkan, amplitudo osilasi yang dihasilkan maksimum jika perbedaan jalur gelombang sama dengan bilangan bulat panjang gelombang.

B) Kondisi minimum interferensi. Amplitudo osilasi yang dihasilkan pada suatu titik A Minimal jika puncak dan lembah dua gelombang koheren tiba pada titik ini secara bersamaan. Artinya seratus gelombang akan sampai pada titik ini dalam antifase, yaitu. perbedaan fasanya sama dengan atau , di mana bilangan bulat.

Kita memperoleh kondisi minimum interferensi dengan melakukan transformasi aljabar:

Jadi, amplitudo osilasi ketika dua gelombang koheren ditumpangkan adalah minimal jika perbedaan jalur gelombang sama dengan jumlah setengah gelombang ganjil.

24. Interferensi dan hukum kekekalan energi. Ketika gelombang berinterferensi di tempat interferensi minimum, energi osilasi yang dihasilkan lebih kecil daripada energi gelombang interferensi. Namun pada tempat interferensi maksimum, energi osilasi yang dihasilkan melebihi jumlah energi gelombang interferensi sampai-sampai energi pada tempat interferensi minimum mengalami penurunan.

Ketika gelombang mengganggu, energi osilasi didistribusikan kembali di ruang angkasa, tetapi hukum kekekalan dipatuhi dengan ketat.

25.Difraksi gelombang– fenomena gelombang yang membelok di sekitar suatu rintangan, mis. penyimpangan dari perambatan gelombang garis lurus.

Difraksi terutama terlihat ketika ukuran penghalang lebih kecil atau sebanding dengan panjang gelombangnya. Misalkan ada sebuah layar dengan lubang pada jalur rambat gelombang bidang, yang diameternya sebanding dengan panjang gelombang (Gbr. 97).

Menurut prinsip Huygens, setiap titik lubang menjadi sumber gelombang yang sama. Ukuran lubang tersebut sangat kecil sehingga semua sumber gelombang sekunder letaknya berdekatan satu sama lain sehingga semuanya dapat dianggap sebagai satu titik – satu sumber gelombang sekunder.

Jika suatu penghalang ditempatkan pada jalur gelombang, yang ukurannya sebanding dengan panjang gelombang, maka tepinya, menurut prinsip Huygens, menjadi sumber gelombang sekunder. Tetapi ukuran obstruksinya sangat kecil sehingga ujung-ujungnya dapat dianggap berhimpitan, yaitu. hambatan itu sendiri adalah sumber titik gelombang sekunder (Gbr. 97).

Fenomena difraksi mudah diamati ketika gelombang merambat di permukaan air. Ketika gelombang mencapai batang tipis yang tidak bergerak, gelombang tersebut menjadi sumber gelombang (Gbr. 99).

25. Prinsip Huygens-Fresnel. Jika dimensi lubang jauh melebihi panjang gelombang, maka gelombang yang melewati lubang merambat lurus (Gbr. 100).

Jika ukuran penghalang secara signifikan melebihi panjang gelombang, maka zona bayangan akan terbentuk di belakang penghalang tersebut (Gbr. 101). Eksperimen ini bertentangan dengan prinsip Huygens. Fisikawan Perancis Fresnel melengkapi prinsip Huygens dengan gagasan koherensi gelombang sekunder. Setiap titik di mana gelombang datang menjadi sumber gelombang yang sama, yaitu. gelombang koheren sekunder. Oleh karena itu, gelombang tidak ada hanya di tempat-tempat di mana kondisi interferensi minimum terpenuhi untuk gelombang sekunder.

26. Gelombang terpolarisasi– gelombang transversal di mana semua partikel berosilasi pada bidang yang sama. Jika ujung bebas tali pusat berosilasi pada satu bidang, maka gelombang terpolarisasi bidang merambat sepanjang tali. Jika ujung kabel yang bebas berosilasi berbagai arah, maka gelombang yang merambat sepanjang kabel tidak terpolarisasi. Jika suatu penghalang berupa celah sempit ditempatkan pada jalur gelombang tak terpolarisasi, maka setelah melewati celah tersebut gelombang menjadi terpolarisasi, karena slot memungkinkan getaran kabel melewatinya.

Jika celah kedua ditempatkan pada jalur gelombang terpolarisasi yang sejajar dengan celah pertama, maka gelombang akan bebas melewatinya (Gbr. 102).

Jika celah kedua ditempatkan tegak lurus dengan celah pertama, maka penyebaran sapi akan terhenti. Alat yang menyaring getaran yang terjadi pada satu bidang tertentu disebut polarizer (celah pertama). Alat yang menentukan bidang polarisasi disebut penganalisis.

27.Suara - Ini adalah proses perambatan kompresi dan penghalusan dalam media elastis, misalnya dalam gas, cairan atau logam. Perambatan kompresi dan penghalusan terjadi sebagai akibat tumbukan molekul.

28. Volume suara Inilah kekuatan gelombang suara pada gendang telinga manusia yang disebabkan oleh tekanan suara.

Tekanan suara – Ini adalah tekanan tambahan yang terjadi pada gas atau cairan ketika gelombang suara merambat. Tekanan bunyi bergantung pada amplitudo getaran sumber bunyi. Jika kita mengeluarkan bunyi garpu tala dengan pukulan ringan, kita mendapatkan volume yang sama. Namun jika garpu tala dipukul lebih keras maka amplitudo getarannya akan semakin besar dan bunyinya akan semakin nyaring. Jadi, kerasnya bunyi ditentukan oleh amplitudo getaran sumber bunyi, yaitu. amplitudo fluktuasi tekanan suara.

29. Nada suara ditentukan oleh frekuensi osilasi. Semakin tinggi frekuensi bunyi maka semakin tinggi pula nadanya.

Getaran suara yang terjadi menurut hukum harmonik dianggap sebagai nada musik. Biasanya bunyi merupakan bunyi yang kompleks, yaitu kumpulan getaran dengan frekuensi yang sama.

Nada dasar suatu bunyi kompleks adalah nada yang sesuai dengan frekuensi terendah dalam kumpulan frekuensi bunyi tertentu. Nada-nada yang berhubungan dengan frekuensi-frekuensi lain dari bunyi kompleks disebut nada tambahan.

30. timbre suara. Suara dengan nada dasar yang sama berbeda dalam timbre, yang ditentukan oleh serangkaian nada tambahan.

Setiap orang memiliki timbre uniknya sendiri. Oleh karena itu, kita selalu dapat membedakan suara seseorang dengan suara orang lain, meskipun nada dasarnya sama.

31.USG. Telinga manusia merasakan suara yang frekuensinya berkisar antara 20 Hz hingga 20.000 Hz.

Bunyi dengan frekuensi diatas 20.000 Hz disebut ultrasonografi. Ultrasonografi bergerak dalam bentuk sinar sempit dan digunakan dalam sonar dan deteksi cacat. USG dapat digunakan untuk mengetahui kedalaman dasar laut dan mendeteksi cacat di berbagai bagian.

Misalnya, jika rel tidak retak, maka gelombang ultrasonik yang dipancarkan dari salah satu ujung rel, dipantulkan dari ujung lainnya, hanya akan menghasilkan satu gema. Jika terdapat retakan, maka USG akan terpantul dari retakan tersebut dan instrumen akan merekam beberapa gema. Ultrasonografi digunakan untuk mendeteksi kapal selam dan gerombolan ikan. Kelelawar menavigasi di luar angkasa menggunakan ultrasound.

32. Infrasonik– suara dengan frekuensi di bawah 20Hz. Suara-suara ini dirasakan oleh beberapa hewan. Sumbernya sering kali adalah getaran kerak bumi saat gempa bumi.

33. efek Doppler adalah ketergantungan frekuensi gelombang yang dirasakan pada pergerakan sumber atau penerima gelombang.

Biarkan perahu berhenti di permukaan danau dan biarkan ombak menerpa sisinya dengan frekuensi tertentu. Jika perahu mulai bergerak melawan arah rambat gelombang, maka frekuensi gelombang yang mengenai sisi perahu akan semakin besar. Selain itu, semakin tinggi kecepatan perahu, semakin tinggi frekuensi gelombang yang menerpa sisinya. Sebaliknya, ketika perahu bergerak searah dengan rambat gelombang, frekuensi tumbukan akan semakin berkurang. Alasan ini dapat dengan mudah dipahami dari Gambar. 103.

Semakin tinggi kecepatan lalu lintas yang datang, semakin sedikit waktu yang dihabiskan untuk menempuh jarak antara dua punggung bukit terdekat, yaitu. semakin pendek periode gelombang dan semakin besar frekuensi gelombang relatif terhadap perahu.

Jika pengamat diam, tetapi sumber gelombang bergerak, maka frekuensi gelombang yang dirasakan pengamat bergantung pada pergerakan sumber.

Biarkan seekor bangau berjalan melintasi danau dangkal menuju pengamat. Setiap kali dia menginjakkan kakinya di air, ombak menyebar dari tempat ini. Dan setiap kali jarak antara gelombang pertama dan terakhir berkurang, yaitu. Cocok pada jarak yang lebih pendek jumlah yang lebih besar punggung bukit dan palung. Oleh karena itu, bagi pengamat yang tidak bergerak ke arah mana bangau berjalan, frekuensinya meningkat. Dan sebaliknya, untuk pengamat diam yang terletak pada titik berlawanan secara diametral pada jarak yang lebih jauh, jumlah puncak dan lembahnya sama. Oleh karena itu, bagi pengamat ini frekuensinya berkurang (Gbr. 104).

Topik pengkode Ujian Negara Bersatu: gelombang mekanik, panjang gelombang, suara.

Gelombang mekanis adalah proses perambatan getaran partikel-partikel medium elastis (padat, cair atau gas) di ruang angkasa.

Adanya sifat elastis pada suatu medium adalah suatu kondisi yang diperlukan perambatan gelombang: deformasi yang terjadi di sembarang tempat, akibat interaksi partikel-partikel tetangga, ditransmisikan secara berurutan dari satu titik dalam medium ke titik lainnya. Berbagai jenis deformasi akan sesuai jenis yang berbeda ombak

Gelombang longitudinal dan transversal.

Gelombang itu disebut membujur, jika partikel-partikel medium berosilasi sejajar dengan arah rambat gelombang. Gelombang longitudinal terdiri dari deformasi tarik dan tekan yang berselang-seling. Pada Gambar. Gambar 1 menunjukkan gelombang longitudinal yang merupakan osilasi lapisan datar lingkungan; arah osilasi lapisan bertepatan dengan arah rambat gelombang (yaitu tegak lurus terhadap lapisan).

Suatu gelombang disebut transversal jika partikel-partikel mediumnya berosilasi tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Gelombang transversal disebabkan oleh deformasi geser suatu lapisan medium terhadap lapisan lainnya. Pada Gambar. 2, setiap lapisan berosilasi sepanjang dirinya sendiri, dan gelombang bergerak tegak lurus terhadap lapisan tersebut.

Gelombang longitudinal dapat merambat dalam benda padat, cair, dan gas: di semua media ini, terjadi reaksi elastis terhadap kompresi, akibatnya kompresi dan penghalusan medium tampak berjalan satu demi satu.

Namun, cairan dan gas, tidak seperti padatan, tidak memiliki elastisitas terhadap geseran lapisan. Oleh karena itu, gelombang transversal dapat merambat di dalam benda padat, tetapi tidak di dalam benda cair dan gas*.

Penting untuk dicatat bahwa partikel-partikel medium, ketika gelombang lewat, berosilasi mendekati posisi kesetimbangan yang tidak berubah, yaitu rata-rata, mereka tetap berada di tempatnya. Gelombang demikian berjalan
perpindahan energi tidak disertai perpindahan materi.

Paling mudah dipelajari gelombang harmonis. Hal tersebut disebabkan oleh pengaruh luar terhadap lingkungan, yang berubah menurut hukum yang harmonis. Ketika gelombang harmonik merambat, partikel-partikel medium melakukan osilasi harmonik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi pengaruh luar. Berikut ini kita akan membatasi diri pada gelombang harmonik.

Mari kita perhatikan proses perambatan gelombang lebih detail. Mari kita asumsikan bahwa beberapa partikel medium (partikel) mulai berosilasi dengan suatu periode. Bertindak pada partikel tetangga, ia akan menariknya. Partikel tersebut, pada gilirannya, akan menarik partikel tersebut bersamanya, dan seterusnya. Hal ini akan menciptakan gelombang di mana semua partikel akan berosilasi dengan suatu periode.

Namun, partikel mempunyai massa, yaitu bersifat inert. Butuh beberapa waktu agar kecepatannya berubah. Akibatnya, partikel dalam pergerakannya akan agak tertinggal di belakang partikel, partikel akan tertinggal di belakang partikel, dan seterusnya. Ketika partikel telah menyelesaikan osilasi pertamanya dan memulai osilasi kedua, sebuah partikel yang terletak pada jarak tertentu dari partikel tersebut akan mulai bergerak. osilasi pertama.

Jadi, dalam waktu yang sama dengan periode osilasi partikel, gangguan medium merambat dalam jarak tertentu. Jarak ini disebut panjang gelombang. Osilasi suatu partikel akan identik dengan osilasi suatu partikel, osilasi partikel berikutnya akan identik dengan osilasi suatu partikel, dan seterusnya. Osilasi tersebut, seolah-olah, mereproduksi dirinya sendiri pada jarak tertentu, yang dapat kita sebut periode osilasi spasial; beserta jangka waktunya karakteristik yang paling penting proses gelombang. Dalam gelombang longitudinal, panjang gelombang sama dengan jarak antara kompresi atau penghalusan yang berdekatan (Gbr. 1). Secara melintang - jarak antara punuk atau cekungan yang berdekatan (Gbr. 2). Secara umum, panjang gelombang sama dengan jarak (sepanjang arah rambat gelombang) antara dua partikel medium terdekat yang berosilasi sama (yaitu, dengan beda fasa sama dengan ).

Kecepatan rambat gelombang Perbandingan panjang gelombang dengan periode osilasi partikel medium disebut:

Frekuensi gelombang adalah frekuensi osilasi partikel:

Dari sini kita mendapatkan hubungan antara kecepatan gelombang, panjang gelombang dan frekuensi:

. (1)

Suara.

Gelombang suara dalam arti luas, semua jenis gelombang yang merambat dalam medium elastis disebut. Dalam arti sempit suara adalah gelombang suara dalam rentang frekuensi 16 Hz sampai 20 kHz, yang ditangkap oleh telinga manusia. Di bawah kisaran ini terdapat area tersebut suara infrasonik, di atas - area USG

Karakteristik suara utama meliputi volume Dan tinggi.
Kerasnya suara ditentukan oleh amplitudo fluktuasi tekanan gelombang suara dan diukur dalam satuan khusus - desibel(dB). Jadi, volume 0 dB adalah ambang batas pendengaran, 10 dB adalah detak jam, 50 dB adalah percakapan normal, 80 dB adalah jeritan, 130 dB adalah batas atas pendengaran (yang disebut ambang rasa sakit).

Nada adalah suara yang dihasilkan oleh suatu benda yang melakukan getaran harmonik (misalnya garpu tala atau senar). Nada suatu nada ditentukan oleh frekuensi getaran ini: semakin tinggi frekuensinya, semakin tinggi bunyinya bagi kita. Jadi, dengan mengencangkan senar, kita meningkatkan frekuensi getarannya dan, karenanya, nada suaranya.

Cepat rambat bunyi pada berbagai media berbeda-beda: semakin elastis suatu medium, semakin cepat bunyi merambat melaluinya. Dalam zat cair kecepatan bunyi lebih besar daripada dalam gas, dan dalam zat padat kecepatan bunyi lebih besar daripada dalam zat cair.
Misalnya, kecepatan suara di udara kira-kira 340 m/s (lebih mudah diingat sebagai “sepertiga kilometer per detik”)*. Di dalam air, bunyi merambat dengan kecepatan sekitar 1500 m/s, dan di baja - sekitar 5000 m/s.
perhatikan itu frekuensi suara dari sumber ini di semua media adalah sama: partikel-partikel media melakukan osilasi paksa dengan frekuensi sumber suara. Berdasarkan rumus (1), kita kemudian menyimpulkan bahwa ketika berpindah dari satu medium ke medium lain, seiring dengan cepat rambat bunyi, panjang gelombang bunyi pun berubah.

Dengan gelombang asal mana pun, dalam kondisi tertentu, Anda dapat mengamati empat fenomena yang tercantum di bawah ini, yang akan kita bahas dengan menggunakan contoh gelombang suara di udara dan gelombang di permukaan air.

Refleksi gelombang. Mari kita lakukan percobaan dengan generator arus frekuensi audio yang dihubungkan dengan loudspeaker (speaker), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. "A". Kita akan mendengar suara siulan. Di ujung lain meja kita akan menempatkan mikrofon yang terhubung ke osiloskop. Karena sinusoidal dengan amplitudo rendah muncul di layar, ini berarti mikrofon menangkap suara yang lemah.

Sekarang mari kita letakkan papan di atas meja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar “b”. Karena amplitudo pada layar osiloskop meningkat, suara yang mencapai mikrofon menjadi lebih keras. Eksperimen ini dan banyak eksperimen lainnya menunjukkan hal itu Gelombang mekanik asal mana pun memiliki kemampuan untuk dipantulkan dari antarmuka antara dua media.

Pembiasan gelombang. Mari kita beralih ke gambar yang menunjukkan ombak mengalir ke perairan dangkal pantai (tampak atas). Pantai berpasir digambarkan dengan warna abu-abu kuning, dan bagian dalam laut digambarkan dengan warna biru. Di antara mereka ada gumuk pasir - perairan dangkal.

Gelombang yang merambat melalui perairan dalam bergerak searah dengan panah merah. Pada titik kandasnya gelombang, ia dibiaskan, yaitu mengubah arah rambatnya. Oleh karena itu, panah biru yang menunjukkan arah rambat gelombang baru terletak berbeda.

Ini dan banyak pengamatan lainnya menunjukkan hal itu Gelombang mekanik asal mana pun dapat dibiaskan ketika kondisi perambatan berubah, misalnya pada antarmuka antara dua media.

Difraksi gelombang. Diterjemahkan dari bahasa Latin, “diffractus” berarti “rusak.” Dalam fisika Difraksi adalah penyimpangan gelombang dari perambatan bujursangkar dalam medium yang sama, sehingga gelombang tersebut membelok di sekitar rintangan.

Sekarang lihatlah pola gelombang lain di permukaan laut (pemandangan dari tepi pantai). Ombak yang mengalir ke arah kita dari jauh tertutup oleh batu besar di sebelah kiri, namun pada saat yang sama sebagian membelok di sekitarnya. Batuan yang lebih kecil di sebelah kanan bukanlah penghalang gelombang sama sekali: mereka mengelilinginya sepenuhnya, menyebar ke arah yang sama.

Eksperimen menunjukkan hal itu difraksi paling jelas termanifestasi jika panjang gelombang datang ukuran lebih banyak hambatan. Di belakangnya, ombak menyebar seolah tak ada halangan.

Interferensi gelombang. Kami memeriksa fenomena yang terkait dengan perambatan gelombang tunggal: refleksi, refraksi, dan difraksi. Sekarang mari kita pertimbangkan propagasi dengan dua gelombang atau lebih yang saling bertumpukan - fenomena interferensi(dari bahasa Latin "inter" - saling dan "ferio" - saya memukul). Mari kita pelajari fenomena ini secara eksperimental.

Kami akan menghubungkan dua speaker yang terhubung secara paralel ke generator arus frekuensi audio. Penerima suara, seperti pada percobaan pertama, adalah mikrofon yang dihubungkan ke osiloskop.

Mari mulai gerakkan mikrofon ke kanan. Osiloskop akan menunjukkan bahwa suara menjadi semakin lemah dan kuat, meskipun mikrofon menjauh dari speaker. Mari kita kembalikan mikrofon ke garis tengah di antara speaker, lalu kita pindahkan ke kiri, menjauh lagi dari speaker. Osiloskop akan kembali menunjukkan kepada kita melemahnya dan menguatnya bunyi.

Eksperimen ini dan banyak eksperimen lainnya menunjukkan hal itu di ruang di mana beberapa gelombang merambat, interferensinya dapat menyebabkan munculnya daerah bergantian dengan penguatan dan melemahnya osilasi.

Pengalaman menunjukkan bahwa getaran yang tereksitasi pada titik mana pun dalam media elastis pada akhirnya diteruskan ke bagian lainnya. Jadi, dari sebuah batu yang dilempar ke dalam air danau yang tenang, gelombang menyebar berputar-putar, yang akhirnya sampai ke tepian pantai. Getaran jantung yang terletak di dalam dada dapat dirasakan di pergelangan tangan, yang digunakan untuk mengetahui denyut nadi. Contoh-contoh yang tercantum berkaitan dengan perambatan gelombang mekanik.

• Gelombang mekanis ditelepon proses perambatan getaran pada suatu medium elastis yang disertai dengan perpindahan energi dari satu titik medium ke titik lainnya. Perhatikan bahwa gelombang mekanik tidak dapat merambat dalam ruang hampa.

Sumber gelombang mekanik adalah benda yang berosilasi. Jika sumber berosilasi secara sinusoidal, maka gelombang dalam medium elastis akan berbentuk sinusoidal. Getaran yang ditimbulkan di sembarang tempat pada medium elastis merambat dalam medium dengan kecepatan tertentu, bergantung pada massa jenis dan sifat elastis medium tersebut.

Kami menekankan hal itu ketika gelombang merambat tidak ada perpindahan zat, yaitu partikel hanya berosilasi mendekati posisi setimbang. Perpindahan rata-rata partikel relatif terhadap posisi setimbang dalam jangka waktu yang lama adalah nol.

Ciri-ciri utama gelombang

Mari kita perhatikan ciri-ciri utama gelombang.

• "Gelombang Depan"- ini adalah permukaan imajiner yang telah dicapai gangguan gelombang pada saat tertentu.

• Garis yang ditarik tegak lurus muka gelombang pada arah rambat gelombang disebut balok.

Sinar menunjukkan arah rambat gelombang.

Tergantung pada bentuk muka gelombang, gelombang bidang, bola, dll dibedakan.

DI DALAM gelombang pesawat permukaan gelombang adalah bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Gelombang pesawat dapat diperoleh pada permukaan air dalam bak datar dengan menggunakan getaran batang datar (Gbr. 1).

Mex-voln-1-01.swf Beras. 1. Tingkatkan Lampu Kilat

DI DALAM gelombang bola permukaan gelombang adalah bola konsentris. Gelombang bola dapat dihasilkan oleh bola yang berdenyut dalam medium elastis homogen. Gelombang seperti itu merambat dengan kecepatan yang sama ke segala arah. Sinar adalah jari-jari bola (Gbr. 2).

Ciri-ciri utama gelombang:

• amplitudo (A) - modul perpindahan maksimum titik-titik medium dari posisi setimbang selama osilasi;

• periode (T) - waktu osilasi penuh (periode osilasi titik-titik dalam medium sama dengan periode osilasi sumber gelombang)

\(T=\dfrac(t)(N),\)

Di mana T- jangka waktu terjadinya transaksi N keraguan;

• frekuensi(ν) - jumlah osilasi lengkap yang dilakukan pada suatu titik tertentu per satuan waktu

\((\rm \nu) =\dfrac(N)(t).\)

Frekuensi gelombang ditentukan oleh frekuensi osilasi sumbernya;

• kecepatan(υ) - kecepatan pergerakan puncak gelombang (ini bukan kecepatan partikel!)

• panjang gelombang(λ) adalah jarak terkecil antara dua titik di mana osilasi terjadi dalam fase yang sama, yaitu jarak rambat gelombang dalam selang waktu yang sama dengan periode osilasi sumbernya.

\(\lambda =\upsilon \cdot T.\)

Untuk mengkarakterisasi energi yang ditransfer oleh gelombang, digunakan konsep tersebut intensitas gelombang (SAYA), didefinisikan sebagai energi ( W), dibawa oleh gelombang per satuan waktu ( T= 1 c) melalui suatu permukaan yang luasnya S= 1 m 2 terletak tegak lurus terhadap arah rambat gelombang:

\(I=\dfrac(W)(S\cdot t).\)

Dengan kata lain, intensitas menyatakan daya yang dibawa gelombang melalui suatu satuan luas permukaan, tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Satuan SI untuk intensitas adalah watt per meter persegi (1 W/m2).

Persamaan gelombang berjalan

Mari kita perhatikan osilasi sumber gelombang yang terjadi dengan frekuensi siklik ω \(\left(\omega =2\pi \cdot \nu =\dfrac(2\pi )(T) \right)\) dan amplitudo A:

\(x(t)=A\cdot \sin \; (\omega \cdot t),\)

Di mana X(T) - perpindahan sumber dari posisi setimbang.

Pada suatu titik dalam medium, getaran tidak akan tiba secara instan, melainkan setelah jangka waktu tertentu yang ditentukan oleh cepat rambat gelombang dan jarak sumber ke titik pengamatan. Jika cepat rambat gelombang pada suatu medium tertentu sama dengan υ, maka ketergantungan terhadap waktu T koordinat (offset) X titik berosilasi yang terletak di kejauhan R dari sumbernya, dijelaskan oleh persamaan

\(x(t,r) = A\cdot \sin \; \omega \cdot \left(t-\dfrac(r)(\upsilon ) \kanan)=A\cdot \sin \; \left(\omega \cdot t-k\cdot r \kanan), \;\;\;

Di mana k-bilangan gelombang \(\left(k=\dfrac(\omega )(\upsilon ) = \dfrac(2\pi )(\lambda ) \kanan), \;\;\; \varphi =\omega \cdot t-k \cdot r\) - fase gelombang.

Ekspresi (1) disebut persamaan gelombang berjalan.

Gelombang merambat dapat diamati dalam percobaan berikut: jika salah satu ujung tali karet yang terletak di atas meja horizontal licin diikatkan dan, dengan sedikit menarik talinya dengan tangan, ujung yang lain digerakkan osilasi dengan arah tegak lurus terhadap gelombang. kabelnya, maka gelombang akan merambat sepanjang kabel tersebut.

Gelombang longitudinal dan transversal

Ada gelombang memanjang dan gelombang transversal.

• Gelombang itu disebut melintang, Jika partikel medium berosilasi pada bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

Mari kita perhatikan lebih detail proses terbentuknya gelombang transversal. Mari kita ambil sebagai model tali nyata sebuah rantai bola (titik material) yang dihubungkan satu sama lain oleh gaya elastis (Gbr. 3, a). Gambar 3 menggambarkan proses rambat gelombang transversal dan menunjukkan posisi bola pada interval waktu berturut-turut yang sama dengan seperempat periode.

Pada saat awal \(\left(t_1 = 0 \right)\) semua titik berada dalam keadaan setimbang (Gbr. 3, a). Jika Anda membelokkan bola 1 dari posisi setimbang tegak lurus seluruh rantai bola, maka 2 -bola terhubung secara elastis ke 1 -th, akan mulai bergerak mengejarnya. Karena inersia gerakan 2 Bola -th akan mengulangi gerakannya 1 -wow, tapi dengan jeda waktu. Bola 3 th, terhubung secara elastis dengan 2 -th, akan mulai bergerak ke belakang 2 -bola ke-th, tetapi dengan penundaan yang lebih besar.

Setelah seperempat periode \(\left(t_2 = \dfrac(T)(4) \right)\) osilasi menyebar ke 4 bola -th, 1 Bola akan mempunyai waktu untuk menyimpang dari posisi setimbangnya sebesar jarak maksimum, sama dengan amplitudo osilasi A(Gbr. 3, b). Setelah setengah periode \(\left(t_3 = \dfrac(T)(2) \right)\) 1 Bola ke-yang bergerak ke bawah akan kembali ke posisi setimbangnya, 4 -th akan menyimpang dari posisi setimbang dengan jarak yang sama dengan amplitudo osilasi A(Gbr. 3, c). Pada saat ini gelombang mencapai 7 bola, dll.

Setelah periode \(\kiri(t_5 = T \kanan)\) 1 Bola ke-, setelah menyelesaikan osilasi penuh, melewati posisi setimbang, dan gerak osilasi akan merambat ke 13 -bola (Gbr. 3, d). Dan kemudian gerakannya 1 bola ke-th mulai berulang, dan semakin banyak bola yang berpartisipasi dalam gerakan osilasi (Gbr. 3, e).

Mex-voln-1-06.swf Beras. 6. Tingkatkan Lampu Kilat

Contoh gelombang longitudinal adalah gelombang bunyi di udara dan zat cair. Gelombang elastis dalam gas dan cairan hanya muncul ketika media dikompresi atau dijernihkan. Oleh karena itu, hanya gelombang longitudinal yang dapat merambat pada media tersebut.

Gelombang dapat merambat tidak hanya pada suatu medium, tetapi juga sepanjang antarmuka antara dua media. Gelombang ini disebut gelombang permukaan. Contoh dari jenis ini Ombak tersebut merupakan ombak yang terkenal di permukaan air.

literatur

1. Aksenovich L. A. Fisika di sekolah menengah atas: Teori. Tugas. Tes: Buku Ajar. tunjangan bagi lembaga penyelenggara pendidikan umum. lingkungan hidup, pendidikan / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S.Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - hlm.424-428.
2. Zhilko, V.V. Fisika: buku teks. manual untuk pendidikan umum kelas 11. sekolah dari bahasa Rusia bahasa pelatihan / V.V. Zhilko, L.G. Markovich. - Minsk : Nar. Asveta, 2009. - hlm.25-29.

Di mata pelajaran fisika kelas 7 yang Anda pelajari getaran mekanis. Sering terjadi bahwa, setelah muncul di satu tempat, getaran menyebar ke area ruang yang berdekatan. Ingat, misalnya rambat getaran kerikil yang dilemparkan ke dalam air atau getaran kerak bumi yang merambat dari pusat gempa. Dalam kasus seperti itu, mereka berbicara tentang gerak gelombang - gelombang (Gbr. 17.1). Dari paragraf ini Anda akan mempelajari tentang ciri-ciri gerak gelombang.

Menciptakan gelombang mekanis

Mari kita ambil tali yang cukup panjang, salah satu ujungnya akan kita tempelkan pada permukaan vertikal, dan ujung lainnya akan kita gerakkan ke atas dan ke bawah (berosilasi). Getaran dari tangan akan merambat sepanjang tali, lambat laun melibatkan titik-titik yang semakin jauh dalam gerakan osilasi - getaran tersebut akan merambat sepanjang tali. gelombang mekanik(Gbr. 17.2).

Gelombang mekanik adalah perambatan getaran dalam medium elastis*.

Sekarang kita memperbaiki pegas lunak yang panjang secara horizontal dan menerapkan serangkaian pukulan berturut-turut ke ujung bebasnya - gelombang yang terdiri dari kondensasi dan penghalusan kumparan pegas akan berjalan di pegas (Gbr. 17.3).

Gelombang yang dijelaskan di atas dapat dilihat, namun sebagian besar gelombang mekanis tidak terlihat, seperti gelombang suara (Gambar 17.4).

Sekilas, semua gelombang mekanik sangat berbeda, tetapi alasan kemunculan dan perambatannya sama.

Kita mencari tahu bagaimana dan mengapa gelombang mekanik merambat dalam suatu medium

Setiap gelombang mekanis diciptakan oleh benda yang berosilasi - sumber gelombang. Dengan melakukan gerak osilasi, sumber gelombang merusak lapisan medium yang paling dekat dengannya (memampatkan dan meregangkan atau menggesernya). Akibatnya, timbul gaya elastis yang bekerja pada lapisan medium yang berdekatan dan menyebabkan lapisan tersebut melakukan getaran paksa. Lapisan-lapisan ini, pada gilirannya, merusak lapisan-lapisan berikutnya dan menyebabkannya bergetar. Secara bertahap, satu demi satu, semua lapisan medium terlibat dalam gerakan osilasi - gelombang mekanik merambat melalui medium.

Beras. 17.6. Pada gelombang longitudinal, lapisan medium berosilasi sepanjang arah rambat gelombang

Kita membedakan antara gelombang mekanik transversal dan longitudinal

Mari kita bandingkan perambatan gelombang sepanjang tali (lihat Gambar 17.2) dan pada pegas (lihat Gambar 17.3).

Masing-masing bagian tali bergerak (berosilasi) tegak lurus terhadap arah rambat gelombang (pada Gambar 17.2, gelombang merambat dari kanan ke kiri, dan bagian-bagian tali bergerak ke atas dan ke bawah). Gelombang seperti itu disebut transversal (Gbr. 17.5). Ketika gelombang transversal merambat, beberapa lapisan medium bergeser relatif terhadap lapisan lainnya. Deformasi perpindahan hanya disertai dengan munculnya gaya elastis di padatan, oleh karena itu gelombang transversal tidak dapat merambat dalam zat cair dan gas. Jadi, gelombang transversal hanya merambat pada benda padat.

Ketika gelombang merambat pada suatu pegas, kumparan-kumparan pegas tersebut bergerak (berosilasi) searah dengan arah rambat gelombang. Gelombang seperti itu disebut gelombang longitudinal (Gbr. 17.6). Ketika gelombang longitudinal merambat, terjadi deformasi tekan dan tegangan pada medium (sepanjang arah rambat gelombang, kerapatan medium bertambah atau berkurang). Deformasi seperti itu di lingkungan apa pun disertai dengan munculnya gaya elastis. Oleh karena itu, gelombang longitudinal merambat pada benda padat, cair, dan gas.

Gelombang pada permukaan zat cair tidak bersifat memanjang dan tidak melintang. Mereka memiliki karakter longitudinal-transversal yang kompleks, dengan partikel cair bergerak sepanjang elips. Anda dapat dengan mudah memverifikasi ini jika Anda melemparkan sepotong kayu ringan ke laut dan mengamati pergerakannya di permukaan air.

Mengetahui sifat-sifat dasar gelombang

1. Gerak osilasi dari satu titik medium ke titik lainnya tidak merambat secara instan, melainkan dengan penundaan tertentu, sehingga gelombang merambat dalam medium dengan kecepatan yang terbatas.

2. Sumber gelombang mekanik adalah benda yang berosilasi. Ketika suatu gelombang merambat maka osilasi bagian-bagian mediumnya dipaksa, oleh karena itu frekuensi osilasi setiap bagian medium sama dengan frekuensi osilasi sumber gelombang.

3. Gelombang mekanik tidak dapat merambat dalam ruang hampa.

4. Gerak gelombang tidak disertai perpindahan materi - bagian medium hanya berosilasi relatif terhadap posisi kesetimbangan.

5. Dengan datangnya gelombang, sebagian medium mulai bergerak (memperoleh energi kinetik). Artinya perpindahan energi terjadi ketika gelombang merambat.

Perpindahan energi tanpa perpindahan materi adalah sifat terpenting gelombang apa pun.

Ingat perambatan gelombang di permukaan air (Gbr. 17.7). Pengamatan apa yang mengkonfirmasi sifat dasar gerak gelombang?

Mari kita ingat besaran fisis, mencirikan osilasi

Gelombang adalah perambatan osilasi, oleh karena itu besaran fisika yang menjadi ciri osilasi (frekuensi, periode, amplitudo) juga menjadi ciri gelombang. Jadi, mari kita ingat materi kelas 7:

	Besaran fisis yang mencirikan getaran
	Frekuensi osilasi ν	Periode osilasi T	Amplitudo osilasi A
Mendefinisikan	jumlah osilasi per satuan waktu	waktu satu osilasi	jarak maksimum suatu titik menyimpang dari posisi setimbangnya
Rumus untuk menentukan
	N adalah jumlah osilasi per interval waktu t
satuan SI		detik

Catatan! Pada saat gelombang mekanik merambat, seluruh bagian medium tempat rambat gelombang bergetar dengan frekuensi yang sama (ν), yaitu sama dengan frekuensi osilasi sumber gelombang, maka periodenya

getaran (T) untuk semua titik medium juga sama, karena

Namun amplitudo osilasi secara bertahap berkurang seiring dengan jarak dari sumber gelombang.

Cari tahu panjang dan kecepatan rambat gelombang

Pikirkan tentang perambatan gelombang sepanjang tali. Misalkan ujung tali melakukan satu kali osilasi penuh, yaitu waktu rambat gelombang sama dengan satu periode (t = T). Selama waktu ini, gelombang merambat pada jarak tertentu λ (Gbr. 17.8, a). Jarak ini disebut panjang gelombang.

Panjang gelombang λ adalah jarak rambat gelombang dalam waktu yang sama dengan periode T:

dimana v adalah kecepatan rambat gelombang. Satuan SI untuk panjang gelombang adalah meter:

Sangat mudah untuk memperhatikan bahwa titik-titik tali, yang terletak pada jarak satu sama lain dengan panjang gelombang yang sama, berosilasi secara serempak - mereka memiliki fase osilasi yang sama (Gbr. 17.8, b, c). Misalnya, titik A dan B pada seutas tali bergerak ke atas secara bersamaan, mencapai puncak gelombang pada saat yang sama, kemudian secara bersamaan mulai bergerak ke bawah, dan seterusnya.

Beras. 17.8. Panjang gelombang sama dengan jarak yang ditempuh gelombang selama satu osilasi (ini juga merupakan jarak antara dua puncak terdekat atau dua lembah terdekat)

Dengan menggunakan rumus λ = vT, Anda dapat menentukan kecepatan rambat

kita peroleh rumus hubungan antara panjang, frekuensi dan cepat rambat gelombang – rumus gelombang :

Jika suatu gelombang berpindah dari satu medium ke medium lain, kecepatan rambatnya berubah, tetapi frekuensinya tetap tidak berubah, karena frekuensi ditentukan oleh sumber gelombang. Jadi, menurut rumus v = λν, ketika gelombang berpindah dari satu medium ke medium lain, panjang gelombangnya berubah.

Rumus gelombang

Belajar memecahkan masalah

Tugas. Gelombang transversal merambat sepanjang tali dengan kecepatan 3 m/s. Pada Gambar. Gambar 1 menunjukkan posisi kabel pada suatu titik waktu dan arah rambat gelombang. Misalkan panjang sisi sel adalah 15 cm, tentukan:

1) amplitudo, periode, frekuensi dan panjang gelombang;

Analisis masalah fisik, solusi

Gelombangnya melintang, sehingga titik-titik tali berosilasi tegak lurus terhadap arah rambat gelombang (bergeser ke atas dan ke bawah relatif terhadap beberapa posisi kesetimbangan).

1) Dari Gambar. 1 kita melihat bahwa deviasi maksimum dari posisi setimbang (amplitudo gelombang A) sama dengan 2 sel. Artinya A = 2 15 cm = 30 cm.

Jarak antara puncak dan lembah berturut-turut adalah 60 cm (4 sel), jarak antara dua puncak terdekat (panjang gelombang) adalah dua kali lebih besar. Artinya λ = 2 60 cm = 120 cm = 1,2 m.

Kita mencari frekuensi dan periode T gelombang menggunakan rumus gelombang:

2) Untuk mengetahui arah pergerakan titik-titik tali, kita akan melakukan konstruksi tambahan. Biarkan gelombang bergerak agak jauh dalam selang waktu singkat Δt. Karena gelombang bergeser ke kanan, dan bentuknya tidak berubah seiring waktu, titik-titik tali akan mengambil posisi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2 garis putus-putus.

Gelombang bersifat transversal, yaitu titik-titik talinya bergerak tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Dari Gambar. 2 kita melihat bahwa titik K setelah selang waktu Δt akan lebih rendah dari posisi awalnya, oleh karena itu kecepatan pergerakannya diarahkan ke bawah; titik B akan bergerak lebih tinggi, oleh karena itu kecepatan geraknya mengarah ke atas; titik C akan bergerak lebih rendah, oleh karena itu kecepatan geraknya mengarah ke bawah.

Jawaban : A = 30cm; T = 0,4 detik; = 2,5 Hz; = 1,2 m; K dan C - turun, B - atas.

Mari kita simpulkan

Perambatan getaran pada medium elastis disebut gelombang mekanik. Gelombang mekanik yang bagian mediumnya bergetar tegak lurus terhadap arah rambat gelombang disebut transversal; gelombang yang bagian mediumnya berosilasi sepanjang arah rambat gelombang disebut gelombang longitudinal.

Gelombang tidak merambat di ruang angkasa secara instan, tetapi dengan kecepatan tertentu. Ketika gelombang merambat, energi berpindah tanpa ada perpindahan materi. Jarak rambat gelombang dalam waktu yang sama dengan periode disebut panjang gelombang - ini adalah jarak antara dua titik terdekat yang berosilasi secara serempak (memiliki fase osilasi yang sama). Panjang λ, frekuensi ν dan kecepatan rambat gelombang v dihubungkan dengan rumus gelombang: v = λν.

Pertanyaan kontrol

1. Definisikan gelombang mekanik. 2. Mendeskripsikan mekanisme pembentukan dan perambatan gelombang mekanik. 3. Sebutkan sifat-sifat utama gerak gelombang. 4. Gelombang apa yang disebut gelombang longitudinal? melintang? Di lingkungan manakah mereka menyebar? 5. Berapakah panjang gelombang? Bagaimana definisinya? 6. Bagaimana hubungan panjang, frekuensi dan kecepatan rambat gelombang?

Latihan No.17

1. Tentukan panjang masing-masing gelombang pada Gambar. 1.

2. Di lautan panjang gelombangnya mencapai 270 m dan periodenya 13,5 s. Tentukan kecepatan rambat gelombang tersebut.

3. Apakah kecepatan rambat gelombang dan kecepatan gerak titik-titik medium tempat rambat gelombang bertepatan?

4. Mengapa gelombang mekanik tidak merambat dalam ruang hampa?

5. Akibat ledakan yang dilakukan oleh ahli geologi, kerak bumi gelombang merambat dengan kecepatan 4,5 km/s. Dipantulkan dari lapisan dalam bumi, gelombang tersebut terekam di permukaan bumi 20 detik setelah ledakan. Pada kedalaman berapakah batuan tersebut berada, yang massa jenisnya sangat berbeda dengan massa jenis kerak bumi?

6. Pada Gambar. Gambar 2 menunjukkan dua tali yang merambatkan gelombang transversal. Setiap tali menunjukkan arah getaran salah satu titiknya. Tentukan arah rambat gelombang.

7. Pada Gambar. Gambar 3 menunjukkan posisi dua kabel sepanjang rambat gelombang, dan arah rambat masing-masing gelombang juga ditunjukkan. Untuk setiap kasus a dan b, tentukan: 1) amplitudo, periode, panjang gelombang; 2) arah pergerakan titik A, B dan C tali pada saat tertentu; 3) banyaknya osilasi yang dilakukan oleh setiap titik tali dalam waktu 30 sekon. Asumsikan panjang sisi sel adalah 20 cm.

8. Seseorang yang berdiri di tepi pantai menentukan bahwa jarak antara puncak gelombang yang berdekatan adalah 15 m. Selain itu, ia menghitung bahwa dalam waktu 75 s 16 puncak gelombang mencapai pantai. Tentukan kecepatan rambat gelombang.

Ini adalah materi buku teks