Zvučni val je mehanički uzdužni val određene frekvencije. U članku ćemo razumjeti što su longitudinalni i poprečni valovi, zašto svaki mehanički val nije zvuk. Doznajte brzinu vala i frekvencije na kojima se zvuk javlja. Otkrijmo je li zvuk isti u različitim okruženjima i naučimo kako pronaći njegovu brzinu pomoću formule.
Pojavljuje se val
Zamislimo površinu vode, na primjer ribnjak po mirnom vremenu. Ako bacite kamen, tada ćemo na površini vode vidjeti krugove koji se razilaze od središta. A što će se dogoditi ako uzmemo ne kamen, nego loptu i dovedemo je u oscilatorno kretanje? Krugovi će se neprestano stvarati vibracijama lopte. Vidjet ćemo otprilike isto kao što je prikazano na računalnoj animaciji.
Ako spustimo plovak na određenoj udaljenosti od lopte, on će također oscilirati. Kada se fluktuacije tijekom vremena razilaze u prostoru, ovaj proces se naziva val.
Za proučavanje svojstava zvuka (valna duljina, brzina valova, itd.), prikladna je poznata igračka Rainbow, ili Happy Rainbow.
Nategnimo oprugu, pustimo je da se smiri i oštro je protresemo gore-dolje. Vidjet ćemo da se pojavio val, koji je trčao uz izvor, a zatim se vratio natrag. To znači da se reflektira od prepreke. Promatrali smo kako se val tijekom vremena širio duž izvora. Čestice opruge kretale su se gore-dolje u odnosu na svoju ravnotežu, a val je išao lijevo-desno. Takav val naziva se poprečni val. U njemu je smjer njegova širenja okomit na smjer titranja čestica. U našem slučaju, medij za širenje valova bila je opruga.
Sada rastegnimo oprugu, pustimo je da se smiri i povucimo naprijed-natrag. Vidjet ćemo da su zavojnice opruge stisnute duž njega. Val ide u istom smjeru. Na jednom mjestu opruga je više stisnuta, na drugom je više rastegnuta. Takav val naziva se uzdužni. Smjer titranja njegovih čestica podudara se sa smjerom širenja.
Zamislimo gusti medij, na primjer, kruto tijelo. Ako ga deformiramo smicanjem, nastat će val. Pojavit će se zbog elastičnih sila koje djeluju samo u čvrstim tvarima. Ove sile igraju ulogu obnavljanja i stvaranja elastičnog vala.
Ne možete deformirati tekućinu smicanjem. Poprečni val ne može se širiti u plinovima i tekućinama. Druga stvar je uzdužna: širi se u svim sredinama gdje djeluju elastične sile. U uzdužnom valu, čestice se približavaju jedna drugoj, zatim se udaljavaju, a sam medij se komprimira i razrjeđuje.
Mnogi ljudi misle da su tekućinenestišljivo, ali to nije slučaj. Ako pritisnete na klip štrcaljke s vodom, malo će se skupiti. U plinovima je moguća i tlačno-vlačna deformacija. Pritiskom na klip prazne štrcaljke zrak se komprimira.
Brzina i valna duljina
Vratimo se na animaciju koju smo razmatrali na početku članka. Odaberemo proizvoljnu točku na jednoj od kružnica koja odstupa od uvjetne kuglice i slijedimo je. Točka se odmiče od središta. Brzina kojom se kreće je brzina vrha vala. Možemo zaključiti: jedna od karakteristika vala je brzina vala.
Animacija pokazuje da se vrhovi vala nalaze na istoj udaljenosti. Ovo je valna duljina - još jedna od njegovih karakteristika. Što su valovi češći, to je njihova duljina kraća.
Zašto svaki mehanički val nije zvuk
Uzmite aluminijsko ravnalo.
Poskočno je, pa je dobro za iskustvo. Ravnilo stavimo na rub stola i pritisnemo ga rukom tako da jako strši. Pritisnemo njegov rub i oštro ga otpustimo - slobodni dio će početi vibrirati, ali zvuka neće biti. Ako samo malo produžite ravnalo, vibracija kratkog ruba stvorit će zvuk.
Što pokazuje ovo iskustvo? Pokazuje da se zvuk javlja samo kada se tijelo kreće dovoljno brzo kada je brzina valova u mediju velika. Uvedimo još jednu karakteristiku vala - frekvenciju. Ova vrijednost pokazuje koliko vibracija u sekundi napravi tijelo. Kada stvaramo val u zraku, zvuk se javlja pod određenim uvjetima – kada je dovoljnovisoka frekvencija.
Važno je razumjeti da zvuk nije val, iako je povezan s mehaničkim valovima. Zvuk je osjećaj koji se javlja kada zvučni (akustični) valovi uđu u uho.
Vratimo se vladaru. Kada je veći dio ispružen, ravnalo oscilira i ne ispušta zvuk. Stvara li ovo val? Naravno, ali to je mehanički val, a ne zvučni val. Sada možemo definirati zvučni val. Ovo je mehanički uzdužni val, čija je frekvencija u rasponu od 20 Hz do 20 tisuća Hz. Ako je frekvencija manja od 20 Hz ili veća od 20 kHz, tada je nećemo čuti, iako će se pojaviti vibracije.
Izvor zvuka
Svako oscilirajuće tijelo može biti izvor akustičnih valova, samo mu je potreban elastični medij, na primjer zrak. Ne samo da čvrsto tijelo može vibrirati, već i tekućina i plin. Zrak kao mješavina nekoliko plinova može biti ne samo medij za širenje - on je i sam sposoban generirati akustični val. Njegove su vibracije koje su u osnovi zvuka puhačkih instrumenata. Flauta ili truba ne vibriraju. To je zrak koji je razrijeđen i komprimiran, daje određenu brzinu valu, zbog čega čujemo zvuk.
Širenje zvuka u različitim okruženjima
Saznali smo da različite tvari zvuče: tekuće, krute, plinovite. Isto vrijedi i za sposobnost provođenja akustičnog vala. Zvuk se širi u bilo kojem elastičnom mediju (tekućem, krutom, plinovitom), osim u vakuumu. U praznom prostoru, recimo na mjesecu, nećemo čuti zvuk tijela koje vibrira.
Većina zvukova koje ljudi percipiraju prenosi se zrakom. Ribe, meduze čuju akustični val koji se razilazi kroz vodu. Mi ćemo, ako zaronimo pod vodu, čuti i buku prolaska motornog čamca. Štoviše, valna duljina i brzina valova bit će veće nego u zraku. To znači da će zvuk motora biti prvi koji će čuti osoba koja roni pod vodom. Ribar, koji sjedi u svom čamcu na istom mjestu, kasnije će čuti buku.
U čvrstim tvarima zvuk putuje još bolje, a brzina valova je veća. Prislonite li neki tvrdi predmet, posebno metalni, na uho i lupkate po njemu, vrlo ćete dobro čuti. Drugi primjer je vaš vlastiti glas. Kada prvi put čujemo svoj govor, prethodno snimljen na diktafonu ili s video zapisa, glas se čini stranim. Zašto se ovo događa? Jer u životu ne čujemo toliko zvučne vibracije iz usta koliko vibracije valova koji prolaze kroz kosti naše lubanje. Zvuk koji se odbija od ovih prepreka donekle se mijenja.
Brzina zvuka
Brzina zvučnog vala, ako uzmemo u obzir isti zvuk, bit će različita u različitim okruženjima. Što je medij gušći, zvuk brže dopire do našeg uha. Vlak može otići toliko daleko od nas da se zvuk kotača još neće čuti. Međutim, ako prislonite uho na tračnice, jasno možemo čuti tutnjavu.
Ovo sugerira da zvučni valovi putuju brže u čvrstim tvarima nego u zraku. Slika prikazuje brzinu zvuka u različitim okruženjima.
Vasna jednadžba
Brzina, frekvencija i valna duljina su međusobno povezani. Za tijela koja vibriraju na visokoj frekvenciji, val je kraći. Zvukovi niske frekvencije mogu se čuti na većoj udaljenosti jer imaju veću valnu duljinu. Postoje dvije valne jednadžbe. Oni ilustriraju međuovisnost valnih karakteristika jedna od druge. Poznavajući bilo koje dvije veličine iz jednadžbi, možete izračunati treću:
s=ν × λ, gdje je c brzina, ν frekvencija, λ valna duljina.
Druga akustična valna jednadžba:
s=λ / T, gdje je T period, tj. vrijeme za koje tijelo napravi jednu oscilaciju.
