Поздовжні хвилі у фізиці

У поздовжньої хвилі частинки середовища здійснюють коливання біля середнього положення вздовж напрямку перенесення енергії. Тому її називають поздовжньої. Типовим прикладом поздовжньої хвилі є звук. У колишні часи люди в робочих селищах вранці піднімалися і йшли на роботу по звуку заводського гудка. Звук добре поширюється в повітрі. Точніше, в процесі еволюції наш слуховий апарат пристосувався добре вловлювати звукові хвилі. У просторі навколо джерела звуку виникає послідовність згущення і розрідження середовища. Енергія звукової хвилі передається від згущення до згущення, які коливаються біля середнього положення з невеликою, порядку міліметра, амплітудою. При цьому енергія звуку переноситься на відстань, яка в мільйони разів перевищує амплітуду хвилі. Звук з відстанню слабшає, оскільки частинки з згущені розлітаються в сторони і забирають із собою енергію.
Швидкість звуку залежить від пружності середовища. При нормальних умовах швидкість звуку в повітрі дорівнює 330 м / с. Вона не залежить від швидкості переміщення джерела звуку. Цим хвилі відрізняються від частинок. Наприклад, коли надзвуковий винищувач, переслідуючи літак супротивника, випускає ракету, швидкість літака-носія додається до швидкості ракети. При цьому звук від двигуна винищувача долітає до землі зі звичайною швидкістю звуку в повітрі. Цим пояснюється явище, коли винищувач уже зник за горизонтом, а звук від нього ще не дійшов до нашого вуха. Швидкість передачі звукової енергії в більш щільному середовищі може перевищувати швидкість звуку в повітрі, яку в авіації вимірюють в «махах» (на честь фізика на ім’я Мах). Наприклад, швидкість звуку уздовж сталевого рейки дорівнює майже п’яти махам. Це дуже багато.
Авіаконструктори називають таку швидкість гіперзвуком виття. Щоб створити гіперзвукової літак, витрачаються великі матеріальні кошти.
Ми вже знаємо, що джерелом енергії може бути тільки матеріальне тіло. Джерелом звукової хвилі є будь-яка стабільно вібруюча поверхню. Звук від такого джерела називають гармонійним або просто гармонікою. Якщо гармоніку записати і пропустити через спеціальний прилад – аналізатор спектру, то на екрані приладу дійсно можна побачити графік у вигляді синусоїди з певною частотою. У музичних інструментах джерелом звуку може бути натягнута струна (гітара), платівка металу (металофон) і навіть стовп повітря (труба). Музичні інструменти виробляють одночасно кілька гармонік з різними амплітудами. Тембр, наприклад кларнета, легко дізнатися, тому-що він містить індивідуальний набір гармонік. Тембр барабана відрізняється тим, що в його звуці присутній багато гармонік з однаковими амплітудами. Графік ударного звуку виглядає як суцільна смуга з нерівними краями. Гармоніки зливаються між собою, і ми не можемо розрізнити їх на слух. Тоді ми чуємо звук, який сприймається як удар.
Ми можемо чути звуки, частота яких лежить в діапазоні від 20 до 20000 Гц. Нечутні звуки діляться на інфразвуки і ультразвуки. Потужність звуку лежить в діапазоні від рівня писку комара до рівня реву космічної ракети на старті. Якщо звуки, витягнуті за допомогою музичних інструментів, приємно слухати, вони називаються музика. Слабкі звуки можна посилювати за допомогою за допомогою електричних підсилювачів звукової частоти. У паспорті підсилювача для електрогітари завжди вказують споживану потужність і вихідну потужність звуку. Наприклад, якщо в паспорті вказано 40 Вт і 17 Вт, це означає, що підсилювач «забере» з мережі до 40 Вт електроенергії, з яких до 17 Вт «видасть» у вигляді енергії звукових хвиль.

Посилання на основну публікацію