Zvučni talas je mehanički longitudinalni talas određene frekvencije. U članku ćemo razumjeti što su longitudinalni i poprečni valovi, zašto svaki mehanički talas nije zvuk. Saznajte brzinu talasa i frekvencije na kojima se javlja zvuk. Hajde da saznamo da li je zvuk isti u različitim okruženjima i naučimo kako da pronađemo njegovu brzinu koristeći formulu.
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 centra. A šta će se dogoditi ako uzmemo ne kamen, već loptu i dovedemo je u oscilatorno kretanje? Krugovi će se stalno stvarati vibracijama lopte. Vidjet ćemo otprilike isto kao što je prikazano na kompjuterskoj animaciji.
Ako spustimo plovak na nekoj udaljenosti od lopte, on će također oscilirati. Kada se fluktuacije razilaze u prostoru tokom vremena, ovaj proces se naziva talas.
Za proučavanje svojstava zvuka (talasna dužina, brzina talasa, itd.), prikladna je poznata igračka Rainbow, ili Happy Rainbow.
Ispružimo oprugu, pustimo je da se smiri i oštro je protresemo gore-dolje. Videćemo da se pojavio talas, koji je jurio duž izvora, a zatim se vratio nazad. To znači da se reflektuje od prepreke. Posmatrali smo kako se talas širi duž izvora tokom vremena. Čestice opruge su se kretale gore-dole u odnosu na svoju ravnotežu, a talas je išao levo-desno. Takav talas se naziva transverzalni talas. U njemu je smjer njegovog širenja okomit na smjer osciliranja čestica. U našem slučaju, medij za širenje talasa bila je opruga.
Sada rastegnimo oprugu, pustimo je da se smiri i povucimo naprijed-nazad. Vidjet ćemo da su zavojnice opruge stisnute duž nje. Talas teče u istom smjeru. Na jednom mjestu je opruga više sabijena, na drugom je više rastegnuta. Takav talas se naziva longitudinalni. Smjer oscilacije njegovih čestica poklapa se sa smjerom širenja.
Zamislimo gusti medij, na primjer, kruto tijelo. Ako ga deformišemo smicanjem, nastaće talas. Pojavit će se zbog elastičnih sila koje djeluju samo u čvrstim tvarima. Ove sile igraju ulogu obnavljanja i stvaranja elastičnog talasa.
Ne možete deformisati tečnost smicanjem. Poprečni talas se ne može širiti u gasovima i tečnostima. Još jedna stvar je uzdužna: širi se u svim sredinama gdje djeluju elastične sile. U uzdužnom talasu, čestice se približavaju jedna drugoj, zatim se udaljavaju, a sam medij se sabija i razrjeđuje.
Mnogi ljudi misle da su tečnostinestišljivo, ali to nije slučaj. Ako pritisnete klip šprica sa vodom, on će se malo skupiti. U plinovima je moguća i tlačno-zatezna deformacija. Pritiskom na klip prazne šprice komprimira se vazduh.
Brzina i talasna dužina
Vratimo se na animaciju koju smo razmatrali na početku članka. Biramo proizvoljnu tačku na jednom od krugova koji odstupaju od uslovne lopte i pratimo je. Tačka se udaljava od centra. Brzina kojom se kreće je brzina vrha talasa. Možemo zaključiti: jedna od karakteristika talasa je brzina talasa.
Animacija pokazuje da se vrhovi talasa nalaze na istoj udaljenosti. Ovo je talasna dužina - još jedna od njenih karakteristika. Što su talasi češći, to je njihova dužina kraća.
Zašto svaki mehanički talas nije zvuk
Uzmite aluminijumski lenjir.
Poskakujuće je, tako da je dobro za iskustvo. Stavimo ravnalo na ivicu stola i pritisnemo ga rukom tako da jako strši. Pritisnemo njegov rub i oštro ga otpustimo - slobodni dio će početi vibrirati, ali neće biti zvuka. Ako samo malo produžite ravnalo, vibracija kratke ivice će stvoriti zvuk.
Šta ovo iskustvo pokazuje? Pokazuje da se zvuk javlja samo kada se tijelo kreće dovoljno brzo kada je brzina talasa u mediju velika. Hajde da uvedemo još jednu karakteristiku talasa - frekvenciju. Ova vrijednost pokazuje koliko vibracija u sekundi napravi tijelo. Kada stvorimo talas u vazduhu, zvuk se javlja pod određenim uslovima – kada je dovoljnovisoka frekvencija.
Važno je shvatiti da zvuk nije talas, iako je povezan sa mehaničkim talasima. Zvuk je osjećaj koji se javlja kada zvučni (akustični) valovi uđu u uho.
Vratimo se vladaru. Kada se veći dio izvuče, ravnalo oscilira i ne ispušta zvuk. Da li ovo stvara talas? Naravno, ali to je mehanički talas, a ne zvučni talas. Sada možemo definisati zvučni talas. Ovo je mehanički longitudinalni val čija je frekvencija u rasponu od 20 Hz do 20 hiljada Hz. Ako je frekvencija manja od 20 Hz ili veća od 20 kHz, onda je nećemo čuti, iako će se pojaviti vibracije.
Izvor zvuka
Svako oscilirajuće tijelo može biti izvor akustičnih valova, potreban mu je samo elastični medij, na primjer, zrak. Ne samo da čvrsto telo može da vibrira, već i tečnost i gas. Vazduh kao mešavina nekoliko gasova može biti ne samo medij za širenje - on je i sam sposoban da generiše akustični talas. Njegove su vibracije koje su u osnovi zvuka duvačkih instrumenata. Flauta ili truba ne vibriraju. To je zrak koji se razrijedi i sabije, daje određenu brzinu talasu, zbog čega čujemo zvuk.
Širenje zvuka u različitim okruženjima
Saznali smo da zvuče različite supstance: tečne, čvrste, gasovite. Isto važi i za sposobnost provođenja akustičnog talasa. Zvuk se širi u bilo kojem elastičnom mediju (tečnom, čvrstom, gasovitom), osim u vakuumu. U praznom prostoru, recimo na mjesecu, nećemo čuti zvuk tijela koje vibrira.
Većina zvukova koje ljudi percipiraju prenosi se u vazduhu. Ribe, meduze čuju akustični talas koji se razilazi kroz vodu. Mi ćemo, ako zaronimo pod vodu, čuti i buku prolaska motornog čamca. Štaviše, talasna dužina i brzina talasa biće veće nego u vazduhu. 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 materijama, zvuk putuje još bolje, a brzina talasa je veća. Ako prislonite neki tvrdi predmet, posebno metalni, na uho i kucnete po njemu, vrlo ćete dobro čuti. Drugi primjer je vaš vlastiti glas. Kada prvi put čujemo svoj govor, prethodno snimljen na diktafonu ili sa video zapisa, glas se čini stranim. Zašto se ovo dešava? Jer u životu ne čujemo toliko zvučne vibracije iz naših usta koliko vibracije valova koji prolaze kroz kosti naše lubanje. Zvuk koji se odbija od ovih prepreka se donekle mijenja.
Brzina zvuka
Brzina zvučnog talasa, ako uzmemo u obzir isti zvuk, biće različita u različitim okruženjima. Što je medij gušći, zvuk brže dopire do našeg uha. Voz može otići toliko daleko od nas da se zvuk točkova još neće čuti. Međutim, ako prislonite uvo na šine, jasno možemo čuti tutnjavu.
Ovo sugeriše da zvučni talasi putuju brže u čvrstim materijama nego u vazduhu. Slika prikazuje brzinu zvuka u različitim okruženjima.
Talasna jednačina
Brzina, frekvencija i talasna dužina 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 dužinu. Postoje dvije talasne jednačine. Oni ilustruju međuzavisnost karakteristika talasa jedna od druge. Poznavajući bilo koje dvije veličine iz jednačina, možete izračunati treću:
s=ν × λ, gdje je c brzina, ν je frekvencija, λ je talasna dužina.
Druga akustična talasna jednačina:
s=λ / T, gdje je T period, tj. vrijeme za koje tijelo napravi jednu oscilaciju.
