MEKANIK DALGALAR: ÖZELLIKLER, ÖZELLIKLER, FORMÜLLER, TÜRLER - FIZIKSEL - 2025

Bir mekanik dalga yaymak için bir fiziksel ortam gereken bir rahatsızlık. En yakın örnek, bir gaz, bir sıvı veya bir katı yoluyla iletilebilen sestir.

Diğer iyi bilinen mekanik dalgalar, bir müzik aletinin gergin teli koparıldığında üretilenlerdir. Veya havuza atılan bir taşın neden olduğu tipik dairesel dalgalanmalar.

Şekil 1. Bir müzik aletinin gergin telleri enine dalgalarla titreşir. Kaynak: Pixabay.

Bozulma, dalganın türüne bağlı olarak onu oluşturan parçacıklarda çeşitli yer değiştirmeler üreterek ortam boyunca ilerler. Dalga geçerken, ortamdaki her parçacık, kendisini denge konumundan kısaca ayıran tekrarlayan hareketler yapar.

Rahatsızlığın süresi enerjisine bağlıdır. Dalga hareketinde, enerji ortamın bir tarafından diğerine yayılan şeydir, çünkü titreşen parçacıklar asla başlangıç ​​yerlerinden çok uzaklaşmazlar.

Dalga ve taşıdığı enerji büyük mesafeler kat edebilir. Dalga kaybolduğunda, bunun nedeni enerjisinin ortada dağılması ve her şeyi rahatsızlıktan önceki gibi sakin ve sessiz bırakmasıdır.

Mekanik dalga türleri

Mekanik dalgalar üç ana grupta sınıflandırılır:

- Enine dalgalar.

- Uzunlamasına dalgalar.

- Yüzey dalgaları.

Enine dalgalar

Kayma dalgalarında, parçacıklar yayılma yönüne dik olarak hareket eder. Örneğin, aşağıdaki şekilde gösterilen ip parçacıkları, dalga soldan sağa hareket ederken dikey olarak salınır:

Şekil 2. Bir ipteki enine dalga. Tek bir parçacığın dalga yayılma yönü ve hareket yönü dikeydir. Kaynak: Sharon Bewick

Uzunlamasına dalgalar

Boyuna dalgalarda, parçacıkların yayılma yönü ve hareket yönü paraleldir.

Şekil 3. Boyuna dalga. Kaynak: Polpol

Yüzey dalgaları

Bir deniz dalgasında, uzunlamasına dalgalar ve enine dalgalar yüzeyde birleştirilir, dolayısıyla bunlar iki farklı ortam arasındaki sınırda hareket eden yüzey dalgalarıdır: aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi su ve hava.

Şekil 4. Boyuna ve enine dalgaları birleştiren okyanus dalgaları. Kaynak: Pixabay'dan değiştirildi.

Kıyıdaki dalgaları kırarken, boylamsal bileşenler baskındır. Bu nedenle kıyıya yakın alglerin ileri geri hareket ettiği görülmektedir.

Farklı dalga türlerine örnekler: sismik hareketler

Depremler sırasında, uzunlamasına dalgalar ve enine dalgalar dahil olmak üzere dünya üzerinde seyahat eden çeşitli dalgalar üretilir.

Boyuna sismik dalgalara P dalgaları, enine olanlara S dalgaları denir.

P tanımlamasının nedeni, basınç dalgaları olmaları ve aynı zamanda ilk geldiklerinde birincil olmalarıdır, enine olanlar ise "kesme" veya kesme için S'dir ve ayrıca P'den sonra geldikleri için ikincildirler.

Özellikleri ve özellikleri

Şekil 2'deki sarı dalgalar, soldan sağa hareket eden özdeş rahatsızlıklardan oluşan periyodik dalgalardır. Hem a hem de b'nin dalga bölgelerinin her birinde aynı değere sahip olduğuna dikkat edin.

Periyodik dalganın pertürbasyonları, hem zamanda hem de uzayda tekrarlanır ve en yüksek noktalar olan zirvelere veya zirvelere ve en düşük noktaların olduğu vadilere sahip olmakla karakterize edilen sinüzoidal bir eğri şeklini benimser.

Bu örnek, mekanik dalgaların en önemli özelliklerini incelemeye hizmet edecek.

Dalga genliği ve dalga boyu

Şekil 2'deki dalganın titreşen bir ipi temsil ettiğini varsayarsak, siyah çizgi bir referans görevi görür ve dalga dizisini iki simetrik parçaya böler. Bu çizgi, ipin durduğu konuma denk gelecektir.

A'nın değeri dalganın genliği olarak adlandırılır ve genellikle A harfi ile gösterilir. Onun parçası için, iki vadi veya ardışık iki tepe arasındaki mesafe l dalga boyudur ve şekil 2'de b olarak adlandırılan büyüklüğe karşılık gelir.

Periyot ve sıklık

Zaman içinde tekrarlayan bir fenomen olan dalganın, tam bir döngüyü tamamlamak için geçen süre olan bir T periyodu vardır, f frekansı ise dönemin tersi veya tersidir ve birim zaman başına gerçekleştirilen döngü sayısına karşılık gelir. .

1886'da radyo dalgalarını keşfeden Heinrich Hertz'in onuruna Uluslararası Sistem'de birim olarak f frekansı zamanın tersine sahiptir: s ^-1 veya Hertz. 1 Hz, bir döngü veya titreşime eşdeğer frekans olarak yorumlanır. ikinci.

Dalganın hızı v, frekansı dalganın uzunluğu ile ilişkilendirir:

v = λ.f = l / T

Açısal frekans

Diğer bir kullanışlı kavram, aşağıdakiler tarafından verilen açısal frekans ω'dir:

ω = 2πf

Mekanik dalgaların hızı, içinde seyahat ettikleri ortama bağlı olarak farklılık gösterir. Genel bir kural olarak, mekanik dalgalar bir katının içinden geçerken daha yüksek hızlara sahiptir ve atmosfer dahil gazlarda daha yavaştır.

Genel olarak, birçok mekanik dalganın hızı aşağıdaki ifade ile hesaplanır:

Örneğin, bir akor boyunca hareket eden bir dalga için hız şu şekilde verilir:

İpteki gerilim, ipi denge konumuna döndürme eğilimindeyken, kütle yoğunluğu bunun hemen olmasını engeller.

Formüller ve denklemler

Aşağıdaki denklemler, aşağıdaki alıştırmaları çözmede kullanışlıdır:

Açısal frekans:

ω = 2πf

Dönem:

T = 1 / f

Kütle doğrusal yoğunluğu:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Bir dizede yayılan dalganın hızı:

Çalışılan Örnekler

1. Egzersiz

Şekil 2'de gösterilen sinüs dalgası pozitif x ekseni yönünde hareket eder ve 18.0 Hz frekansa sahiptir.2a = 8.26 cm ve b / 2 = 5.20 cm olduğu bilinmektedir. Bul:

a) Genlik.

b) Dalgaboyu.

c) Süre.

d) Dalga hızı.

Çözüm

a) Genlik a = 8,26 cm / 2 = 4,13 cm

b) Dalga boyu l = b = 2 x20 cm = 10,4 cm'dir.

c) T periyodu frekansın tersidir, bu nedenle T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 s.

d) Dalganın hızı v = lf = 10,4 cm'dir. 18 Hz = 187,2 cm / sn.

Egzersiz 2

75 cm uzunluğunda ince bir telin kütlesi 16,5 g'dır. Uçlarından biri bir çiviye sabitlenirken, diğerinde teldeki gerginliğin ayarlanmasını sağlayan bir vida vardır. Hesaplamak:

a) Bu dalganın hızı.

b) Dalga boyu 3,33 cm olan enine dalganın saniyede 625 döngü hızında titreşmesi için gerekli olan Newton cinsinden gerilim.

Çözüm

a) Herhangi bir mekanik dalga için geçerli olan v = λ.f'yi kullanarak ve sayısal değerleri değiştirerek şunu elde ederiz:

v = 3,33 cm x 625 döngü / saniye = 2081,3 cm / s = 20,8 m / s

b) Bir sicimden yayılan dalganın hızı:

Halattaki T gerginliği, eşitliğin her iki tarafına karesi alınarak çözülerek elde edilir:

T = v ² .μ = 20,8 ² . 2,2 x ^10-6 N = 9,52 x ^10-4 N.

Ses: uzunlamasına bir dalga

Ses, görselleştirmesi çok kolay, uzunlamasına bir dalgadır. İhtiyacınız olan tek şey, dalgaların şeklini belirlemek için birçok deneyin yapılabileceği esnek, sarmal bir yay.

Uzunlamasına bir dalga, ortamı dönüşümlü olarak sıkıştıran ve genişleten bir darbeden oluşur. Sıkıştırılmış alana "sıkıştırma" adı verilir ve yay bobinlerinin birbirinden en uzak olduğu alan "genişleme" veya "seyrelme" dir. Her iki bölge de sarkmanın eksenel ekseni boyunca hareket eder ve uzunlamasına bir dalga oluşturur.

Şekil 5. Helisel bir yay boyunca yayılan boylamasına dalga. Kaynak: kendi kendine.

Enerji dalga boyunca hareket ettikçe yayın bir kısmı sıkıştırılırken ve diğer kısmı gerilirken, ses rahatsızlığın kaynağını çevreleyen hava kısımlarını sıkıştırır. Bu nedenle bir boşlukta çoğalamaz.

Boyuna dalgalar için, daha önce enine periyodik dalgalar için açıklanan parametreler eşit derecede geçerlidir: dalganın genliği, dalga boyu, periyodu, frekansı ve hızı.

Şekil 5'te, bir sarmal yay boyunca hareket eden bir uzunlamasına dalganın dalga boyu gösterilmektedir.

İçinde, dalga boyunun değerini belirtmek için iki ardışık sıkıştırmanın merkezinde bulunan iki nokta seçilmiştir.

Sıkışmalar zirvelere eşdeğerdir ve genişlemeler, enine bir dalgadaki vadilere eşdeğerdir, dolayısıyla bir ses dalgası da bir sinüs dalgası ile temsil edilebilir.

Sesin özellikleri: frekans ve yoğunluk

Ses, onu şimdiye kadar gördüğümüz örneklerden ayıran, birkaç çok özel özelliğe sahip mekanik bir dalga türüdür. Daha sonra, en alakalı özelliklerinin neler olduğunu göreceğiz.

Sıklık

Sesin frekansı, insan kulağı tarafından tiz (yüksek frekanslar) veya alçak (düşük frekanslar) ses olarak algılanır.

İnsan kulağındaki işitilebilir frekans aralığı 20 ila 20.000 Hz arasındadır. 20.000 Hz'nin üzerinde ultrason denilen ve infrasound'un altındaki sesler, frekanslar insanlar için duyulamaz, ancak köpekler ve diğer hayvanlar algılayabilir. ve kullan.

Örneğin, yarasalar karanlıktaki yerlerini belirlemek ve ayrıca iletişim için burunlarından ultrason dalgaları yayarlar.

Bu hayvanlar, yansıyan dalgaları aldıkları ve yayılan dalga ile yansıyan dalga arasındaki gecikme süresini ve bunların frekans ve yoğunluklarındaki farklılıkları bir şekilde yorumlayan sensörlere sahiptir. Bu verilerle kat ettikleri mesafeyi çıkarırlar ve böylelikle böceklerin nerede olduğunu bilebilir ve yaşadıkları mağaraların çatlakları arasında uçabilirler.

Balina ve yunus gibi deniz memelileri de benzer bir sisteme sahiptirler: kafalarında yağla dolu, sesler yayan özel organlara ve çenelerinde yansıyan sesi algılayan karşılık gelen algılayıcılara sahiptirler. Bu sistem ekolokasyon olarak bilinir.

Yoğunluk

Ses dalgasının yoğunluğu, birim zaman ve birim alan başına taşınan enerji olarak tanımlanır. Birim zaman başına enerji güçtür. Bu nedenle, ses yoğunluğu, birim alan başına gücü ve vat / m gelir ² ya da W / m ² . İnsan kulağı dalganın yoğunluğunu ses seviyesi olarak algılar: müzik ne kadar yüksekse o kadar yüksek olur.

10 ila kulak algılar yoğunlukları ^-12 ve 1 W / m ² ağrı hissetmeden fakat yoğunluğu ve algılanan hacmi arasındaki ilişki doğrusal değildir. İki kat daha yüksek bir ses üretmek için 10 kat daha fazla yoğunluğa sahip bir dalga gerekir.

Ses yoğunluğu seviyesi, birimin bel ve daha sık olarak desibel veya desibel olduğu logaritmik bir ölçekte ölçülen göreceli bir yoğunluktur.

Ses yoğunluğu seviyesi β olarak belirtilir ve şu şekilde desibel olarak verilir:

β = 10 günlük (I / I _o )

Ben ses şiddeti ve nerede _O , 1 x 10 de işitme eşiği olarak alınan bir referans düzeyi olan ^-12 W / m ² .

Çocuklar için pratik deneyler

Çocuklar eğlenirken mekanik dalgalar hakkında çok şey öğrenebilirler. İşte dalgaların enerjiyi nasıl ilettiğini görmek için bazı basit deneyler.

Deney 1: İnterkom

malzemeler

- Yüksekliği çaptan çok daha büyük olan 2 plastik bardak.

- 5 ila 10 metre arası güçlü tel.

Uygulamaya koymak

İpliği içlerinden geçirmek için gözlüğün tabanını delin ve ipliğin çıkmaması için her iki ucunda bir düğümle sabitleyin.

- Her oyuncu bir bardak alır ve ipin gergin kalmasını sağlayarak düz bir çizgi izleyerek uzaklaşır.

- Oyunculardan biri, bardağını mikrofon olarak kullanıyor ve partneriyle konuşuyor, kendisi de dinlemek için bardağını kulağına götürmesi gerekiyor. Bağırmana gerek yok.

Dinleyici, partnerinin sesinin gergin iplik aracılığıyla iletildiğini hemen fark edecektir. İplik gergin değilse, arkadaşınızın sesi net bir şekilde duyulmayacaktır. İpliği doğrudan kulağınıza sokarsanız hiçbir şey duymazsınız, camı dinlemek için gereklidir.

açıklama

İpteki gerilimin dalganın hızını etkilediğini önceki bölümlerden biliyoruz. İletim ayrıca kapların malzemesi ve çapına da bağlıdır. Partner konuştuğunda, sesinin enerjisi havaya (uzunlamasına dalga), oradan camın dibine ve ardından ipliğin içinden enine bir dalga olarak iletilir.

İplik, dalgayı dinleyicinin titreşen damarının dibine iletir. Bu titreşim havaya iletilir ve kulak zarı tarafından algılanır ve beyin tarafından yorumlanır.

Deney 2: Dalgaları gözlemlemek

Uygulamaya koymak

Çeşitli dalga türlerinin oluşturulabileceği esnek sarmal yay, bir masa veya düz yüzey üzerinde uzanır.

Şekil 6. Sinsi olarak bilinen, oynamak için sarmal yay. Kaynak: Pixabay.

Uzunlamasına dalgalar

Uçlar, her biri bir elde tutulur. Daha sonra bir uca küçük bir yatay dürtü uygulanır ve yay boyunca ilerleyen bir darbe gözlemlenir.

Ayrıca, daracıkların bir ucunu bir desteğe sabitleyebilir veya bir partnerden yeterince esneterek tutmasını isteyebilirsiniz. Böylelikle, önceki bölümlerde anlatıldığı gibi, sıkıştırma ve genişlemelerin yayın bir ucundan diğerine hızlı bir şekilde ilerleyen birbirini nasıl takip ettiğini gözlemlemek için daha fazla zaman vardır.

Enine dalgalar

Sinsi de bir ucunda tutulur ve yeterince gerilir. Serbest uç, yukarı ve aşağı sallayarak hafif bir sallanır. Sinüzoidal nabzın yay boyunca ve geri gittiği gözlenir.

Referanslar

1. Giancoli, D. (2006). Fizik: Uygulamalı ilkeler. Altıncı Baskı. Prentice Hall. 308-336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Kavramsal Fiziksel Bilim. Beşinci baskı. Pearson. 239-244.
3. Rex, A. (2011). Fiziğin Temelleri. Pearson. 263-273.