Ruch drgający i falowy – wzory, prawa i zasady fizyki

Ruch drgający powszechnie występuje w przyrodzie. Drgają nasze struny głosowe, amortyzatory w samochodach, budynki przy ruchliwych ulicach i atomy. W ruchu drgającym ciało wychyla się okresowo w jedną i w drugą stronę od położenia równowagi.

W tym artykule znajdziesz podsumowanie najważniejszych informacji oraz wzory ruchu drgającego i ruchu falowego (fale dźwiękowe, fale elektromagnetyczne).

Tematy z działu: RUCH DRGAJĄCY I FALOWY

Ruch drgający – amplitudaokres drgańczęstotliwość | Ruch okresowy wahadła | Ruch ciężarka na sprężynie | Przemiany energii w ruchu drgającym | Wykresy ruchu drgającego | Czym jest fala? | Fale mechaniczne | Fale dźwiękowe: infradźwięki, dźwięki słyszalne, ultradźwięki | Fale elektromagnetyczne

Najważniejsze wzory: Częstotliwość i okres w ruchu drgającym, Związek między częstotliwością i okresem w ruchu drgającym, Prędkość rozchodzenia się fali


1. Ruch drgający

W ruchu drgającym ciało wychyla się okresowo w jedną i w drugą stronę od położenia równowagi. W położeniu równowagi siły działające na ciało równoważą się.

Wielkości charakteryzujące ruch falowy:

  1. amplituda – największe wychylenie z położenia równowagi,
  2. okres – czas trwania jednego pełnego drgania,
  3. częstotliwość – ilość drgań zachodzących w ciągu 1 sekundy.

Przykładami ruchu drgającego są drgania wahadła zegarowego, huśtawki czy ciężarka na sprężynie.

Częstotliwość i okres w ruchu drgającym

Wzór na częstotliwość w ruchu drgającym to stosunek ilości drgań n do czasu t, w którym zaszło te n drgań:

\large f = \frac{n}{t}

Wzór na okres drgań w ruchu drgającym to stosunek czasu t, w którym zaszło n drgań do ilości drgań n.

\large T = \frac{t}{n}

Gdzie: f – częstotliwość, n  – ilość drgań, t  – czas, w którym zaszło n drgań, T  – okres.

Związek między częstotliwością i okresem w ruchu drgającym:

Okres drgań T jest odwrotnością częstotliwości f, co możemy zapisać za pomocą wzoru:

\large T = \frac{1}{f}

Częstotliwość drań f jest zatem odwrotnością okresu drgań T, co możemy zapisać za pomocą wzoru:

\Large f = \frac{1}{t}

Okres drgań wahadła, dla małych amplitud, nie zależy od amplitudy (izochronizm wahań). Okres drgań obciążnika na nici zależy od długości nici. Dla dłuższej nici okres drgań jest większy.

Przemiany energii w ruchu drgającym

W tym ruchu drgającym energia potencjalna grawitacji (która zależy od wysokości) zamienia się na energię kinetyczną (która zależy od prędkości) i na odwrót. Suma tych energii pozostanie stała, jeżeli pominiemy straty energii np. na pokonanie oporów ruchu.

2. Ruch falowy

Czym jest fala? Falą nazywamy rozchodzące się zaburzenie w ośrodku sprężystym . W ruchu falowym cząsteczki ośrodka nie przemieszczają się wraz z zaburzeniem, a jedynie wykonują drgania wokół swojego położenia równowagi.

Do najpopularniejszych rodzajów fal należą:

  • Fale mechaniczne – to fale, które potrzebują ośrodka materialnego aby przenosić energię. Przykładami fal mechanicznych są fale morskie i fale dźwiękowe. 
  • Fale elektromagnetyczne – to fale, które nie potrzebują ośrodka aby przenosić energię, mogą ją przenieść nawet w próżni. Przykładami fal elektromagnetycznych są fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma.

Podział fal ze względu na ich kierunek:

  1. poprzeczne – kierunek rozchodzenia się fal jest prostopadły do kierunku drgań cząsteczek ośrodka
  2. podłużne – kierunek rozchodzenia się zaburzenia jest zgodny z kierunkiem drgań cząsteczek ośrodka.

Fale charakteryzujemy podając:

  1. długość fali – droga, jaką przebędzie fala w ciągu 1 okresu (odległość, np.: między dwoma grzbietami fali).
  2. prędkość rozchodzenia się fali.

Prędkość rozchodzenia się fali:

V = \frac{\lambda}{t}

V  – prędkość rozchodzenia się fali
l – długość fali
T – okres

3. Fale dźwiękowe

Fale dźwiękowe rozchodzą się i przenoszą energię w ośrodku sprężystym np. w powietrzu, są przykładem fal mechanicznych podłużnych.

Cechy dźwięku:

  1. głośność– zależy od amplitudy drgań źródła,
  2. wysokość – zależy od częstotliwości drgań źródła,
  3. barwa – zależy od rodzaju instrumentu wydającego dźwięk.

Przy przechodzeniu fal  z jednego ośrodka do drugiego zmienia się długość i prędkość rozchodzenia się fal, a nie zmienia się częstotliwość.

Dźwięki, ze względu na ich częstotliwość dzielimy na: infradźwięki czyli dźwięki poniżej progu słyszalności, dźwięki słyszalne (o częstotliwości 20 – 20 000 Hz) oraz ultradźwiękiczyli dźwięki powyżej progu słyszalności.

Infradźwięki

Infradźwięki to wszystkie dźwięki poniżej progu słyszalności czyli o częstotliwości poniżej ok. 20 Hz. Infradźwięki są słabo tłumione i mogą rozchodzić się na duże odległości. Przykładami źródeł infradźwięków są wodospady, fale morskie czy klimatyzacja. Infradźwięki działają na człowieka niekorzystnie.

Dźwięki słyszalne

Dźwięki słyszalne to fale o częstotliwości od 20 Hz  do 20 kHz. Dźwięk  w powietrzu  jest falą podłużną w postaci zagęszczeń i rozrzedzeń cząsteczek powietrza. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu wynosi 340 m/s.

Ultradźwięki

Ultradźwięki to wszystkie dźwięki powyżej progu słyszalności czyli o częstotliwości powyżej 20 000 Hz. Ultradźwięki charakteryzują się małą długością fali co powoduje, że są użyteczne w geolokacji oraz uzyskiwaniu obrazów medycznych. Niektóre zwierzęta np. delfin, wieloryb, nietoperz, wykorzystują ultradźwięki do echolokacji 

4. Fale elektromagnetyczne

Fale elektromagnetyczne to fale, które nie potrzebują ośrodka aby przenosić energię, mogą ją przenieść nawet w próżni. Fale elektromagnetyczne są powodowane przez zmiany pola magnetycznego i elektrycznego. Przykładami fal elektromagnetycznych są fale radiowe, światło widzialne i promieniowanie rentgenowskie.


PRZYDATNY ARTYKUŁ? Udostępnij link innym:

Facebooktwitterpinterestmail

Dodaj do Google Classroom

Następny temat:
Ruch drgający

Pozostałe tematy z działu: RUCH DRGAJĄCY I FALOWY

Ruch drgający – amplitudaokres drgańczęstotliwość | Ruch okresowy wahadła | Ruch ciężarka na sprężynie | Przemiany energii w ruchu drgającym | Wykresy ruchu drgającego | Czym jest fala? | Fale mechaniczne | Fale dźwiękowe: infradźwięki, dźwięki słyszalne, ultradźwięki | Fale elektromagnetyczne