1. 1 Mechanické vlnenie

1.1 Mechanické vlnenie

Mechanické vlnenie je dej, pri ktorom sa kmitanie šíri látkovým prostredím. Častice pružného prostredia môžeme považovať za oscilátory, ktoré sú spojené väzbou. Ak rozkmitáme jednu časticu, prenáša sa kmitanie postupne na ďalšie častice. Šírenie vlnenia nie je spojené s prenosom látky, prenáša sa energia.

 Zdroj vlnenia je hmotný objekt alebo element prostredia, z ktorého sa vlnenie šíri. Postupné vlnenie je charakteristické tým, že kmitanie sa zo zdroja vlnenia postupne prenáša do bodov vzdialenejších od zdroja. Pružným prostredím môže byť napríklad: hadica, lano, kov, struna, vodná hladina.

 Postupné priečne vlnenie vzniká vtedy, keď body prostredia kmitajú kolmo na smer šírenia vlnenia. Na obrázku vidíme vznik a šírenie postupného priečneho vlnenia.

Postupné vlnenie pozdĺžne vzniká vtedy, keď body kmitajú v smere šírenia sa vlnenia.

1.2. Interferencia

Interferencia alebo interferenčný jav alebo interferencia vlnenia je vo fyzike skladanie (superpozícia) niekoľkých koherentných vlnení rovnakého druhu do jedného výsledného vlnenia.V pružnom prostredí sa môže súčasne šíriť vlnenie od viacerých zdrojov.Vlnenie od jedného zdroja prechádza určitým priestorom tak, ako by iná, v tom istom priestore sa šíriaca vlna, vôbec neexistovala. V oblasti, kde sa vlnenia prekrývajú, bude podľa princípu superpozície výsledné vlnenie vektorovým súčtom jednotlivých vlnení. Teda výchylka určitého elementu prostredia bude vektorovým súčtom výchyliek, ktoré by daný element mal mať od každého z vlnení. Môže nastať zväčšenie, zmenšenie alebo dokonca aj zrušenie výchylky v danom mieste.

1.3. Stojaté (stacionárne) vlnenie

Stojaté (stacionárne) vlnenie sa, na rozdiel od postupného, nešíri priestorom. Jednotlivé body dosahujú svoje maximálne výchylky súčasne (v rovnakom okamihu). Stojaté vlnenie môžeme dobre demonštrovať na strune, ktorá je na oboch koncoch upevnená. Taká struna môže kmitať tak, že jej stred má maximálnu amplitúdu. Výchylka žiadneho iného bodu struny nie je tak veľká a smerom k okrajom sa postupne znižuje. Na okrajoch je výchylka nulová, lebo tieto body sú upevnené. Takáto struna však môže kmitať taktiež tak, že maximálna výchylka je v jednej a v troch štvrtinách dĺžky struny (vždy na opačnú stranu) a v strede struny je vždy výchylka nulová. Možností ako sa dá rozkmitať strunu je nekonečne veľa. Pri stojatom vlnení môže byť maximálna amplitúda každého bodu iná.

1.4.Huygensov princíp
Huygensov princíp: Každý bod vlnoplochy do ktorého postupné vlnenie v izotropnom prostredí v určitom okamihu dospelo, môžeme pokladať za zdroj elemementárneho vlnenia, ktoré sa z neho šíri v elememtárnych vlnoplochách. Vlnoplocha v ďalšom časovom okamihu je vonkajšia obalová plocha všetkých elementárnych vlnoplôch v tomto smere, v ktorom sa vlnenie šíri.

 

 

Na rozhraní dvoch prostredí môže dôjsť k odrazu vlnenia, pohlteniu alebo lomu vlnenia. Odraz vlnenia je dej pri ktorom sa dopadajúce vlnenie na rozhranie vracia späť do prostredia do ktorého prišlo.

1.4.1Zákon odrazu vlnenia: Uhol odrazu vlnenia sa rovná uhlu dopadu vlnenia . Odrazený lúč leží v rovine dopadu.

Lom vlnenia je dej pri ktorom vlnenie prechádza do druhého prostredia a šíri sa iným smerom.

 

1.4.2Zákon lomu vlnenia: Pomer sínusu uhla dopadu a sínusu uhla lomu je pre dané dve prostredia konštantný a rovná sa pomeru rýchlostí vlnenia v oboch prostrediach.  , n je index lomu vlnenia pre dané dve prostredia.

2.Zvuk

Zvuk je každé pozdĺžne mechanické vlnenie v látkovom prostredí, ktoré je schopné vyvolať v ľudskom uchu sluchový vnem. Frekvencia tohto vlnenia leží približne v rozsahu 20 Hz až 20 kHz (záleží na individuálnych danostiach človeka), mimo týchto hraníc človek zvuk nevníma. V širšom zmysle je možné považovať za zvuk aj vlnenie mimo tohto rozsahu, teda infrazvuk a ultrazvuk. Zvuky (z hľadiska človeka a jeho vnímania) môžeme rozdeliť na hudobné (tóny) a nehudobné (hluky). Tóny vznikajú pri pravidelnom, periodicky sa opakujúcom kmitaní. Pri počuvaní vzniká v mozgu dojem určitej výšky, preto sa tóny používajú v hudbe. Zdrojom hudobných zvukov môžu byť okrem hlasiviek aj rôzne hudobné nástroje. Hlukom označujeme nepravidelné vlnenie, vznikajúce ako zložité nepravidelné kmitanie telies. Rozdiel medzi tónmi a hlukom je malý a súvisí s ponímaním zvuku jednotlivcom.

2.1.Zdroj zvuku

Zdroj zvukového vlnenia sa nazýva zdroj zvuku a prostredie, v ktorom sa vlnenie šíri, nazývame vodič zvuku. Vodič zvuku, obvykle vzduch, zprostredkuje spojenie medzi zdrojom zvuku a prijímačom (detektorom), ktorým je obvykle ucho alebo technické zariadenia (mikrofón). Zvuky sa šíria v každom hmotnom prostredí, napr. aj vodou a pevnými látkami. Podľa schopnosti látky viesť, resp. pohlcovať zvuk hovoríme o dobrých a zlých vodičoch zvuku.Zdrojom zvuku je kmitajúce teleso. Záleží však aj na jeho schopnosti tento zvuk odovzdať (preniesť) na okolité prostredie. Dôležitou vlastnosťou je tvar telesa a tvar jeho okolia. Struna napnutá medzi dvoma pevnými bodami telesa s veľkou hmotnosťou nie je dobrý zdroj zvuku, pretože pri kmitaní struny vzniká pretlak v smere jej pohybu, ale súčasne i podtlak na opačnej strane. Vzniká akustický skrat. Preto sa v strunových nástrojoch používa rezonančná doska, ktorá je v skutočnosti zdrojom zvuku gitary.

Zdrojom zvuku sú okrem telies s vlastným kmitaním aj umelé zdroje, ktoré kmitajú tzv. vynúteným kmitaním (reproduktor, hlasivky)

2.2.Parametre zvuku

Každý zvuk sa vyznačuje svojou fyzikálnou intenzitou hladina zvuku meranou v dB a fyziologickou hladinou svojej hlasitosti, čo je vlastne amplitúda. Mimo to sa hudobné zvuky vyznačujú frekvenciou, ktorá určuje ich výšku. Treťou základnou vlastnosťou zvuku je priebeh kmitania, ovplyvňujúci jeho zafarbenie. Trvanie zvuku v čase určuje jeho dĺžku.

2.2.1Hladina zvuku

Zvuky v bežnom živote vnímame ako hlasné alebo tiché. Pre porovnanie hlasitosti zvuku sa používa fyzikálna veličina hladina zvuku. Jej jednotka je bel (B), používa sa však prevažne jej desatina - decibel (dB). Začiatkom stupnice je 0 dB (prah počuteľnosti pre tón o frekvencii 1000 Hz = 1 kHz). Úplná nula neexistuje, pretože ucho (mozog) si vytvára vlastný šum a reaguje aj na najmenšie zmeny akustického tlaku. Zvuky presahujúce intenzitu 130 dB sú „bolestivé” a ich posluch je nepríjemný a poškodzuje sluch.

Príklady zvukov:

• 
  10 dB šumenie trávy,
  
• 
  20 dB šepot,
  
• 
  40 dB mestský hluk v pozadí,
  
• 
  50 dB bežný hluk pri rozhovore,
  
• 
  60 dB rušná ulica,
  
• 
  80 dB maximálna úroveň TV zvuku,
  
• 
  90 dB motocykel,
  
• 
  110 dB rockový koncert,
  
• 
  120 dB prúdové lietadlo.
  

2.2.2.Zvukové spektrum

Zvukové spektrum delíme na niekoľko frekvenčných pásiem. Hranice nie sú pevne dané.

• 
  nízke tóny (basové) - zvuky hromu a výstrelov, údery na bubon, zvuky basy, frekvencie cca 20 Hz – 3kHz
  
• 
  stredné tóny - reč, ruchy ulice, dávajú zvuku energiu (ľudské ucho je citlivé práve na túto spektrálnu oblasť), frekvencie cca 300 Hz – 11 kHz
  
• 
  ľudský hlas - narába zo základným tónom okolo 400 Hz. Tento sa môže meniť polohou jazyka, zubov, pier v rozsahu asi od 175 Hz do 3700 Hz. Na túto časť zvukového spektra je ľudské ucho najcitlivejšie.
  
• 
  vysoké tóny - píšťala, frekvencie cca 1.5 kHz až 20 kHz
  

2.3.Ultrazvuk

Ultrazvuk sú mechanické kmity prostredia s frekvenciou vyššou ako je schopné počuť ľudské ucho, teda približne nad 20 kHz (20000 Hz). Ultrazvuk o frekvenciách od 10¹² do 10¹⁴ Hz sa označuje aj ako hyperzvuk.

Ultrazvuk vedia produkovať a používať rôzne živočíchy - napr. netopiere ho využívajú na orientáciu v priestore a lov, podobne delfíny ultrazvuk využívajú na orientáciu a lov. Ultrazvuk využívajú aj niektoré druhy hmyzu napr. moskyty a mory. Viacero druhov živočíchov síce nevie ultrazvuk vyrobiť, ale počuje ho napr. pes, mačka alebo myš.

Ponorky sa pomocou sonaru pri potopení vo veľkých hĺbkach orientujú funguje na podobnom princípe ako pri ultrazvuku ktorý sa používa na vyšetrenie pacientov v zdravotníctve. Ultrazvukové vlny pri vhodnej voľbe ožarovanej doby dokonca podporujú klíčenie a rast poľnohospodárskych plodín.



2.3.Infrazvuk

Infrazvuk je zvuk s frekvenciou nižšou ako je ľudské ucho schopné vnímať, teda pod 16 či 20 Hz. Takúto frekvenciu majú napr. seizmické vlny pri zemetrasení či nízkofrekvenčné vibrácie strojov. Dlhotrvajúce pôsobenie infrazvuku na ľudský organizmus je škodlivé. Infrazvuk predstavuje vážny rizikový faktor najmä pre človeka. Zvlášť nebezpečné sú infrazvuky (vibrácie) s frekvenciou 7 - 8 Hz, pri ktorých rezonujú tkanivá a mechanicky sa poškodzujú najmä bunky vo svaloch a v nervovom tkanive. Pri frekvencii 7 Hz dokonca smrť. Teda infrazvuky s veľmi vysokou energiou môžu zabíjať ľudí i živočíchy na väčšie vzdialenosti. Je známe, že veľryby, slony, hrochy, nosorožce a aligátory používajú infrazvuk na dorozumievanie. Aerodynamický infrazvuk v dopravných prostriedkoch (lokomotívy radu 163, 263, 363 a podobne) pri rýchlostiach jazdy vyšších ako 80 km/hod presahujú hodnotu 130 dB, extrémne aj 140 dB - to je za prahom bolesti. Uvedené tvrdenie platí pri porušení hermetickosti kabíny (otvorenie okienok) a súčasnej zmene laminárneho obtekania kabíny okolitým vzduchom na turbulentný.

 Použite zdroje :

Ing. Pavol Tarábek, PhD. a kol.: Zmaturuj z fyziky. Bratislava: Pedagogické vydavateľstvo Didaktis, 2006, ISBN 80-89160-35-2

Internetový zdroj: http://www.wikipedia.org/

1.

Aké stavy môže vyvolať interferencia vlnenia?

(Zosilnenie, zoslabenie, alebo sa môže vzájomne rušiť)

2

Kde sa v praxi využíva stojaté vlnenie?

(Hudobne nástroje –struny)

3.

Ako delíme zvuky?

(Tóny a hluky)

4.

Na ktorú časť zvukového spektra je ľudské ucho najcitlivejšie?

(ľudsky hlas)

5.

Aké ma ultrazvuk využitie?

(Sonar,zdravotníctvo, poľnohospodarsvo?)

6.

Ktoré frekvencie Infrazvuku sú životu nebezpečne?

(7-8Hz)

7.

Čo vzniká v každom bode elementárnej vlnoplochy?

(nová elementárna vlnoplocha)

Gymnázium Jozefa Gregora Tajovského, Banská Bystrica

Mechanické vlnenie

Matúš Lauko 3.C

2010/2011

Obsah

1.1Mechanicke vlnenie

1.2. Interferencia

1.3. Stojaté vlnenie

1.4.Huygensov princíp

1.4.1Zákon odrazu vlnenia

1.4.2Zákon lomu vlnenia

2. Zvuk

2.1. Zdroj zvuku

2.2. Parametre zvuku

2.2.1 Hladina zvuku

2.2.2 Zvukové spektrum

2.3 Ultrazvuk

2.4 Infrazvuk