Anda dapat membayangkan apa itu gelombang mekanik dengan melemparkan batu ke dalam air. Lingkaran yang muncul di atasnya dan merupakan lembah dan punggung bukit yang berselang-seling adalah contoh gelombang mekanik. Apa esensi mereka? Gelombang mekanik adalah proses perambatan getaran pada media elastis.

Gelombang pada permukaan cair

Gelombang mekanik seperti itu ada karena pengaruh gaya antarmolekul dan gravitasi pada partikel cairan. Orang-orang telah mempelajari fenomena ini sejak lama. Yang paling menonjol adalah lautan dan gelombang laut. Saat kecepatan angin meningkat, mereka berubah dan ketinggiannya meningkat. Bentuk ombaknya sendiri juga menjadi lebih rumit. Di lautan, mereka dapat mencapai proporsi yang menakutkan. Salah satu contoh kekuatan yang paling nyata adalah tsunami, menyapu semua yang dilaluinya.

Energi gelombang laut dan samudra

Mencapai pantai, gelombang laut meningkat dengan perubahan kedalaman yang tajam. Mereka terkadang mencapai ketinggian beberapa meter. Pada saat-saat seperti itu, massa air yang sangat besar dipindahkan ke rintangan pantai, yang dengan cepat dihancurkan di bawah pengaruhnya. Kekuatan ombak terkadang mencapai nilai yang muluk-muluk.

gelombang elastis

Dalam mekanika, tidak hanya osilasi pada permukaan cairan yang dipelajari, tetapi juga yang disebut gelombang elastis. Ini adalah gangguan yang merambat di media yang berbeda di bawah aksi gaya elastis di dalamnya. Gangguan seperti itu adalah setiap penyimpangan partikel medium tertentu dari posisi kesetimbangan. Contoh yang baik dari gelombang elastis adalah tali panjang atau tabung karet yang menempel pada sesuatu di salah satu ujungnya. Jika Anda menariknya dengan kencang, dan kemudian membuat gangguan pada ujung kedua (tidak tetap) dengan gerakan tajam lateral, Anda dapat melihat bagaimana ia "berjalan" di sepanjang tali ke penyangga dan dipantulkan kembali.

Gangguan awal menyebabkan munculnya gelombang dalam medium. Hal ini disebabkan oleh aksi beberapa benda asing, yang dalam fisika disebut sumber gelombang. Itu bisa berupa tangan seseorang yang mengayunkan tali, atau kerikil yang dilemparkan ke dalam air. Dalam kasus ketika aksi sumber berumur pendek, gelombang soliter sering muncul di medium. Ketika "pengganggu" membuat gelombang panjang, mereka mulai muncul satu demi satu.

Syarat terjadinya gelombang mekanik

Osilasi seperti itu tidak selalu terbentuk. Kondisi yang diperlukan untuk penampilan mereka adalah terjadinya pada saat gangguan media gaya yang mencegahnya, khususnya, elastisitas. Mereka cenderung membawa partikel tetangga lebih dekat bersama-sama ketika mereka bergerak terpisah, dan mendorong mereka menjauh dari satu sama lain ketika mereka mendekati satu sama lain. Gaya elastis, yang bekerja pada partikel yang jauh dari sumber gangguan, mulai tidak seimbang. Seiring waktu, semua partikel medium terlibat dalam satu gerakan osilasi. Perambatan osilasi semacam itu adalah gelombang.

Gelombang mekanik dalam medium elastis

Dalam gelombang elastis, ada 2 jenis gerakan secara bersamaan: osilasi partikel dan propagasi perturbasi. Gelombang longitudinal adalah gelombang mekanik yang partikel-partikelnya berosilasi sepanjang arah rambatnya. Gelombang transversal adalah gelombang yang partikel mediumnya berosilasi melintasi arah rambatnya.

Sifat gelombang mekanik

Gangguan dalam gelombang longitudinal adalah penghalusan dan kompresi, dan dalam gelombang transversal mereka adalah pergeseran (perpindahan) dari beberapa lapisan media dalam kaitannya dengan yang lain. Deformasi kompresi disertai dengan munculnya gaya elastis. Dalam hal ini, ini terkait dengan munculnya gaya elastis secara eksklusif dalam padatan. Dalam media gas dan cair, pergeseran lapisan media ini tidak disertai dengan munculnya gaya tersebut. Karena sifatnya, gelombang longitudinal dapat merambat di media apa pun, dan gelombang transversal - hanya pada yang padat.

Fitur gelombang pada permukaan cairan

Gelombang pada permukaan zat cair tidak membujur maupun melintang. Mereka memiliki karakter yang lebih kompleks, yang disebut longitudinal-transversal. Dalam hal ini, partikel fluida bergerak dalam lingkaran atau sepanjang elips memanjang. partikel pada permukaan cairan, dan terutama dengan fluktuasi besar, disertai dengan gerakan lambat tetapi terus menerus dalam arah perambatan gelombang. Sifat gelombang mekanik di dalam air inilah yang menyebabkan munculnya berbagai jenis makanan laut di pantai.

Frekuensi gelombang mekanik

Jika dalam medium elastis (cair, padat, gas) getaran partikelnya tereksitasi, maka karena interaksi antara mereka, ia akan merambat dengan kecepatan u. Jadi, jika benda yang berosilasi berada dalam medium gas atau cair, maka gerakannya akan mulai ditransmisikan ke semua partikel yang berdekatan dengannya. Mereka akan melibatkan yang berikutnya dalam proses dan seterusnya. Dalam hal ini, benar-benar semua titik medium akan mulai berosilasi dengan frekuensi yang sama, sama dengan frekuensi benda yang berosilasi. Ini adalah frekuensi gelombang. Dengan kata lain, besaran ini dapat dicirikan sebagai titik-titik dalam medium tempat gelombang merambat.

Mungkin tidak segera jelas bagaimana proses ini terjadi. Gelombang mekanik dikaitkan dengan transfer energi gerak osilasi dari sumbernya ke pinggiran medium. Akibatnya, apa yang disebut deformasi periodik muncul, yang dibawa oleh gelombang dari satu titik ke titik lain. Dalam hal ini, partikel medium itu sendiri tidak bergerak mengikuti gelombang. Mereka berosilasi di dekat posisi keseimbangan mereka. Itulah sebabnya perambatan gelombang mekanik tidak disertai dengan perpindahan materi dari satu tempat ke tempat lain. Gelombang mekanik memiliki frekuensi yang berbeda. Oleh karena itu, mereka dibagi menjadi rentang dan dibuat skala khusus. Frekuensi diukur dalam hertz (Hz).

Rumus dasar

Gelombang mekanik yang rumus perhitungannya cukup sederhana menjadi objek yang menarik untuk dikaji. Kecepatan gelombang (υ) adalah kecepatan gerakan depannya (tempat geometris semua titik yang telah dicapai osilasi medium pada saat tertentu):

di mana adalah kerapatan medium, G adalah modulus elastisitas.

Saat menghitung, orang tidak boleh bingung dengan kecepatan gelombang mekanik dalam medium dengan kecepatan pergerakan partikel medium yang terlibat. Jadi, misalnya, gelombang suara di udara merambat dengan kecepatan getaran rata-rata molekulnya. sebesar 10 m/s, sedangkan cepat rambat gelombang bunyi pada keadaan normal adalah 330 m/s.

Muka gelombang dapat dari berbagai jenis, yang paling sederhana adalah:

Bulat - disebabkan oleh fluktuasi dalam media gas atau cair. Dalam hal ini, amplitudo gelombang berkurang dengan jarak dari sumber berbanding terbalik dengan kuadrat jarak.

Datar - adalah bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Ini terjadi, misalnya, dalam silinder piston tertutup ketika berosilasi. Gelombang bidang dicirikan oleh amplitudo yang hampir konstan. Sedikit penurunan dengan jarak dari sumber gangguan dikaitkan dengan tingkat viskositas medium gas atau cair.

panjang gelombang

Di bawah memahami jarak di mana bagian depannya akan bergerak dalam waktu yang sama dengan periode osilasi partikel-partikel medium:

= T = /v = 2πυ/ ,

di mana T adalah periode osilasi, adalah kecepatan gelombang, adalah frekuensi siklik, adalah frekuensi osilasi titik-titik medium.

Karena kecepatan rambat gelombang mekanik sepenuhnya bergantung pada sifat medium, panjangnya berubah selama transisi dari satu medium ke medium lainnya. Dalam hal ini, frekuensi osilasi selalu tetap. Mekanik dan serupa dalam hal selama distribusinya, energi ditransfer, tetapi tidak ada transfer materi.

Kuliah - 14. Gelombang mekanik.

2. Gelombang mekanik.

3. Sumber gelombang mekanik.

4. Titik sumber gelombang.

5. Gelombang transversal.

6. Gelombang memanjang.

7. Gelombang depan.

9. Gelombang periodik.

10. Gelombang harmonik.

11. Panjang gelombang.

12. Kecepatan distribusi.

13. Ketergantungan kecepatan gelombang pada sifat-sifat medium.

14. Prinsip Huygens.

15. Pemantulan dan pembiasan gelombang.

16. Hukum pemantulan gelombang.

17. Hukum pembiasan gelombang.

18. Persamaan gelombang bidang.

19. Energi dan intensitas gelombang.

20. Prinsip superposisi.

21. Getaran yang koheren.

22. Gelombang koheren.

23. Interferensi gelombang. a) kondisi maksimum interferensi, b) kondisi minimum interferensi.

24. Interferensi dan hukum kekekalan energi.

25. Difraksi gelombang.

26. Prinsip Huygens-Fresnel.

27. Gelombang terpolarisasi.

29. Volume suara.

30. Nada suara.

31. Timbre suara.

32. USG.

33. Infrasonik.

34. Efek Doppler.

1.Melambai - ini adalah proses propagasi osilasi dari setiap kuantitas fisik di ruang angkasa. Misalnya, gelombang suara dalam gas atau cairan mewakili perambatan fluktuasi tekanan dan kepadatan di media ini. Gelombang elektromagnetik adalah proses perambatan dalam ruang fluktuasi kekuatan medan magnet listrik.

Energi dan momentum dapat ditransfer di ruang angkasa dengan mentransfer materi. Setiap benda yang bergerak memiliki energi kinetik. Oleh karena itu, ia mentransfer energi kinetik dengan mentransfer materi. Tubuh yang sama, dipanaskan, bergerak di ruang angkasa, mentransfer energi panas, mentransfer materi.

Partikel medium elastis saling berhubungan. Gangguan, mis. penyimpangan dari posisi kesetimbangan satu partikel ditransfer ke partikel tetangga, yaitu. energi dan momentum ditransfer dari satu partikel ke partikel tetangga, dengan masing-masing partikel tetap berada di dekat posisi kesetimbangannya. Dengan demikian, energi dan momentum ditransfer sepanjang rantai dari satu partikel ke partikel lain, dan tidak ada transfer materi.

Jadi, proses gelombang adalah proses perpindahan energi dan momentum dalam ruang tanpa perpindahan materi.

2. Gelombang mekanik atau gelombang elastis adalah gangguan (osilasi) yang merambat dalam media elastis. Media elastis di mana gelombang mekanik merambat adalah udara, air, kayu, logam dan zat elastis lainnya. Gelombang elastik disebut gelombang bunyi.

3. Sumber gelombang mekanik- benda yang melakukan gerak osilasi, berada dalam medium elastis, misalnya garpu tala, dawai, pita suara bergetar.

4. Titik sumber gelombang - sumber gelombang yang dimensinya dapat diabaikan dibandingkan dengan jarak perambatan gelombang.

5. gelombang transversal - gelombang di mana partikel-partikel medium berosilasi dalam arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang. Misalnya, gelombang di permukaan air adalah gelombang transversal, karena getaran partikel air terjadi dalam arah tegak lurus terhadap arah permukaan air, dan gelombang merambat sepanjang permukaan air. Gelombang transversal merambat di sepanjang tali, salah satu ujungnya tetap, yang lain berosilasi dalam bidang vertikal.

Gelombang transversal hanya dapat merambat di sepanjang antarmuka antara roh media yang berbeda.

6. Gelombang memanjang - gelombang di mana getaran terjadi dalam arah rambat gelombang. Gelombang longitudinal terjadi pada pegas heliks panjang jika salah satu ujungnya mengalami gangguan periodik yang diarahkan sepanjang pegas. Gelombang elastis yang berjalan di sepanjang pegas adalah urutan propagasi dari kompresi dan tegangan (Gbr. 88)

Gelombang longitudinal hanya dapat merambat di dalam media elastis, misalnya, di udara, di dalam air. Pada zat padat dan zat cair, gelombang transversal dan longitudinal dapat merambat secara bersamaan, karena: benda padat dan cairan selalu dibatasi oleh permukaan - antarmuka antara dua media. Misalnya, jika batang baja dipukul ujungnya dengan palu, maka deformasi elastis akan mulai merambat di dalamnya. Gelombang transversal akan berjalan di sepanjang permukaan batang, dan gelombang longitudinal akan merambat di dalamnya (pemampatan dan penghalusan medium) (Gbr. 89).

7. Muka gelombang (permukaan gelombang) adalah tempat kedudukan titik-titik yang berosilasi dalam fase yang sama. Pada permukaan gelombang, fase-fase titik osilasi pada momen waktu yang dipertimbangkan memiliki nilai yang sama. Jika sebuah batu dilempar ke danau yang tenang, maka gelombang transversal yang berbentuk lingkaran akan mulai merambat di sepanjang permukaan danau dari tempat jatuhnya, dengan pusat di tempat batu itu jatuh. Dalam contoh ini, muka gelombang adalah lingkaran.

Dalam gelombang bola, muka gelombang adalah bola. Gelombang tersebut dihasilkan oleh sumber titik.

Pada jarak yang sangat jauh dari sumber, kelengkungan bagian depan dapat diabaikan dan bagian depan gelombang dapat dianggap datar. Dalam hal ini, gelombang disebut gelombang bidang.

8. Balok - lurus garis normal terhadap permukaan gelombang. Dalam gelombang bola, sinar diarahkan sepanjang jari-jari bola dari pusat, di mana sumber gelombang berada (Gbr.90).

Dalam gelombang bidang, sinar diarahkan tegak lurus ke permukaan depan (Gbr. 91).

9. gelombang periodik. Ketika berbicara tentang gelombang, yang kami maksud adalah satu gangguan yang merambat di ruang angkasa.

Jika sumber gelombang melakukan osilasi terus menerus, maka gelombang elastis yang merambat satu demi satu muncul di medium. Gelombang seperti itu disebut periodik.

10. gelombang harmonik- gelombang yang dihasilkan oleh osilasi harmonik. Jika sumber gelombang membuat osilasi harmonik, maka ia menghasilkan gelombang harmonik - gelombang di mana partikel berosilasi sesuai dengan hukum harmonik.

11. Panjang gelombang. Biarkan gelombang harmonik merambat di sepanjang sumbu OX dan berosilasi di dalamnya ke arah sumbu OY. Gelombang ini transversal dan dapat direpresentasikan sebagai sinusoidal (Gbr.92).

Gelombang seperti itu dapat diperoleh dengan menimbulkan getaran pada bidang vertikal ujung bebas kabel.

Panjang gelombang adalah jarak antara dua titik terdekat. A dan B berosilasi dalam fase yang sama (Gbr. 92).

12. Kecepatan rambat gelombang– besaran fisis yang secara numerik sama dengan kecepatan rambat osilasi dalam ruang. Dari Gambar. 92 berikut bahwa waktu osilasi merambat dari titik ke titik TETAPI ke titik PADA, yaitu dengan jarak panjang gelombang yang sama dengan periode osilasi. Oleh karena itu, kecepatan rambat gelombang adalah

13. Ketergantungan kecepatan rambat gelombang pada sifat-sifat medium. Frekuensi osilasi ketika gelombang terjadi hanya bergantung pada sifat sumber gelombang dan tidak bergantung pada sifat medium. Kecepatan rambat gelombang tergantung pada sifat-sifat medium. Oleh karena itu, panjang gelombang berubah ketika melintasi antarmuka antara dua media yang berbeda. Kecepatan gelombang tergantung pada ikatan antara atom dan molekul medium. Ikatan antara atom dan molekul dalam cairan dan padatan jauh lebih kaku daripada dalam gas. Oleh karena itu, kecepatan gelombang suara dalam cairan dan padatan jauh lebih besar daripada di gas. Di udara, kecepatan suara dalam kondisi normal adalah 340, di air 1500, dan di baja 6000.

Kecepatan rata-rata gerakan termal molekul dalam gas berkurang dengan penurunan suhu, dan sebagai hasilnya, kecepatan rambat gelombang dalam gas berkurang. Dalam media yang lebih padat, dan karena itu lebih lembam, kecepatan gelombang lebih rendah. Jika suara merambat di udara, maka kecepatannya tergantung pada kerapatan udara. Dimana kepadatan udara lebih tinggi, kecepatan suara lebih rendah. Sebaliknya, di mana kerapatan udara lebih kecil, kecepatan suara lebih besar. Akibatnya, ketika suara merambat, muka gelombang terdistorsi. Di atas rawa atau di atas danau, terutama pada malam hari, kerapatan udara di dekat permukaan akibat uap air lebih besar daripada pada ketinggian tertentu. Oleh karena itu, cepat rambat bunyi di dekat permukaan air lebih kecil dari pada pada ketinggian tertentu. Akibatnya, muka gelombang membelok sedemikian rupa sehingga bagian atas muka gelombang semakin membengkok ke arah permukaan danau. Ternyata energi gelombang yang merambat sepanjang permukaan danau dan energi gelombang yang merambat membentuk sudut ke permukaan danau bertambah. Oleh karena itu, di malam hari, suara didistribusikan dengan baik di atas danau. Bahkan percakapan yang tenang dapat terdengar berdiri di seberang sungai.

14. Prinsip Huygens- setiap titik permukaan yang dicapai gelombang pada saat tertentu merupakan sumber gelombang sekunder. Menggambar garis singgung permukaan ke bagian depan semua gelombang sekunder, kita mendapatkan bagian depan gelombang di waktu berikutnya.

Perhatikan, misalnya, gelombang yang merambat di atas permukaan air dari suatu titik HAI(Gbr.93) Biarkan pada saat waktu t bagian depan berbentuk lingkaran dengan jari-jari R berpusat pada satu titik HAI. Pada saat berikutnya, setiap gelombang sekunder akan memiliki muka berbentuk lingkaran dengan jari-jari , dimana V adalah kecepatan rambat gelombang. Menggambar permukaan bersinggungan dengan bagian depan gelombang sekunder, kita mendapatkan bagian depan gelombang pada momen waktu (Gbr. 93)

Jika gelombang merambat dalam medium kontinu, maka muka gelombang adalah bola.

15. Pemantulan dan pembiasan gelombang. Ketika gelombang jatuh pada antarmuka antara dua media yang berbeda, setiap titik permukaan ini, menurut prinsip Huygens, menjadi sumber gelombang sekunder yang merambat di kedua sisi permukaan bagian. Oleh karena itu, ketika melintasi antarmuka antara dua media, gelombang sebagian dipantulkan dan sebagian melewati permukaan ini. Karena media yang berbeda, maka kecepatan gelombang di dalamnya berbeda. Oleh karena itu, ketika melintasi antarmuka antara dua media, arah perambatan gelombang berubah, mis. pecah gelombang terjadi. Pertimbangkan, berdasarkan prinsip Huygens, proses dan hukum pemantulan dan pembiasan selesai.

16. Hukum refleksi gelombang. Biarkan gelombang bidang jatuh pada antarmuka datar antara dua media yang berbeda. Mari kita pilih di dalamnya area antara dua sinar dan (Gbr. 94)

Sudut datang adalah sudut antara sinar datang dan tegak lurus antarmuka pada titik datang.

Sudut pantul - sudut antara sinar pantul dan tegak lurus antarmuka pada titik datang.

Pada saat berkas mencapai antarmuka di titik , titik ini akan menjadi sumber gelombang sekunder. Muka gelombang pada saat ini ditandai dengan ruas garis lurus AC(Gbr.94). Akibatnya, balok masih harus pergi ke antarmuka pada saat ini, jalan SW. Biarkan sinar menempuh jalan ini pada waktunya. Sinar datang dan sinar pantul merambat pada sisi yang sama dari antarmuka, sehingga kecepatannya sama dan sama v. Kemudian .

Selama waktu gelombang sekunder dari titik TETAPI akan pergi jalan. Karena itu . Segitiga siku-siku dan sama besar, karena - hipotenusa umum dan kaki. Dari persamaan segitiga mengikuti persamaan sudut . Tetapi juga , yaitu .

Sekarang kita merumuskan hukum pemantulan gelombang: sinar datang, sinar pantul , tegak lurus terhadap antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang, terletak pada bidang yang sama; sudut datang sama dengan sudut pantul.

17. Hukum pembiasan gelombang. Biarkan gelombang bidang melewati antarmuka bidang antara dua media. Dan sudut datang berbeda dari nol (Gbr.95).

Sudut bias adalah sudut antara sinar bias dan tegak lurus antarmuka, dikembalikan pada titik datang.

Dinotasikan dan kecepatan rambat gelombang pada media 1 dan 2. Pada saat berkas mencapai antarmuka di titik TETAPI, titik ini akan menjadi sumber gelombang yang merambat di medium kedua - sinar , dan sinar masih harus menuju ke permukaan bagian. Misalkan waktu yang diperlukan balok untuk menempuh lintasan tersebut barat daya, kemudian . Selama waktu yang sama di medium kedua, sinar akan menempuh lintasan . Karena , lalu dan .

Segitiga dan sudut siku-siku dengan sisi miring yang sama , dan = , adalah seperti sudut dengan sisi yang saling tegak lurus. Untuk sudut dan kami menulis persamaan berikut:

.

Dengan mempertimbangkan bahwa , , diperoleh

Sekarang kita merumuskan hukum pembiasan gelombang: Sinar datang, sinar bias dan tegak lurus terhadap antarmuka antara dua media, dipulihkan pada titik datang, terletak pada bidang yang sama; rasio sinus sudut datang ke sinus sudut bias adalah nilai konstan untuk dua media yang diberikan dan disebut indeks bias relatif untuk dua media yang diberikan.

18. persamaan gelombang bidang. Partikel medium yang berada pada jarak S dari sumber gelombang mulai berosilasi hanya ketika gelombang mencapainya. Jika sebuah V adalah kecepatan rambat gelombang, maka osilasi akan dimulai dengan penundaan selama beberapa waktu

Jika sumber gelombang berosilasi sesuai dengan hukum harmonik, maka untuk partikel yang terletak pada jarak S dari sumbernya, kami menulis hukum osilasi dalam bentuk

.

Mari kita perkenalkan nilai disebut bilangan gelombang. Ini menunjukkan berapa banyak panjang gelombang yang cocok pada jarak yang sama dengan satuan panjang. Sekarang hukum osilasi partikel medium yang terletak pada jarak S dari sumbernya kita tulis di form

.

Persamaan ini mendefinisikan perpindahan titik osilasi sebagai fungsi waktu dan jarak dari sumber gelombang dan disebut persamaan gelombang bidang.

19. Energi dan Intensitas Gelombang. Setiap partikel yang telah dicapai gelombang berosilasi dan karenanya memiliki energi. Biarkan gelombang merambat dalam beberapa volume media elastis dengan amplitudo TETAPI dan frekuensi siklik. Ini berarti bahwa energi rata-rata osilasi dalam volume ini sama dengan

Di mana m- massa volume yang dialokasikan dari media.

Kerapatan energi rata-rata (rata-rata atas volume) adalah energi gelombang per satuan volume medium

, dimana adalah densitas medium.

Intensitas gelombang adalah besaran fisik yang secara numerik sama dengan energi yang dipindahkan gelombang per satuan waktu melalui satuan luas bidang yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang (melalui satuan luas muka gelombang), yaitu

.

Daya rata-rata gelombang adalah energi total rata-rata yang dipindahkan oleh gelombang per satuan waktu melalui permukaan dengan luas S. Kami memperoleh kekuatan gelombang rata-rata dengan mengalikan intensitas gelombang dengan luas S

20.Prinsip superposisi (overlay). Jika gelombang dari dua atau lebih sumber merambat dalam media elastis, maka, seperti yang ditunjukkan oleh pengamatan, gelombang melewati satu sama lain tanpa mempengaruhi satu sama lain sama sekali. Dengan kata lain, gelombang tidak berinteraksi satu sama lain. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa dalam batas-batas deformasi elastis, kompresi dan tegangan dalam satu arah sama sekali tidak mempengaruhi sifat elastis di arah lain.

Dengan demikian, setiap titik medium tempat dua atau lebih gelombang datang mengambil bagian dalam osilasi yang disebabkan oleh masing-masing gelombang. Dalam hal ini, perpindahan yang dihasilkan dari partikel medium setiap saat sama dengan jumlah geometris perpindahan yang disebabkan oleh masing-masing proses osilasi yang muncul. Inilah inti dari prinsip superposisi atau superposisi osilasi.

Hasil penambahan osilasi tergantung pada amplitudo, frekuensi dan perbedaan fasa dari proses osilasi yang muncul.

21. Osilasi koheren - getaran dengan frekuensi yang sama dan beda fase yang konstan dalam waktu.

22.gelombang koheren- gelombang dengan frekuensi yang sama atau panjang gelombang yang sama, yang perbedaan fasenya pada titik tertentu dalam ruang tetap konstan dalam waktu.

23.Interferensi gelombang- fenomena kenaikan atau penurunan amplitudo gelombang yang dihasilkan ketika dua atau lebih gelombang koheren ditumpangkan.

sebuah) . kondisi maksimum gangguan. Membiarkan gelombang dari dua sumber yang koheren dan bertemu di satu titik TETAPI(Gbr.96).

Perpindahan partikel medium di suatu titik TETAPI, yang disebabkan oleh setiap gelombang secara terpisah, kami menulis sesuai dengan persamaan gelombang dalam bentuk

dimana dan , , - amplitudo dan fase osilasi yang disebabkan oleh gelombang di suatu titik TETAPI, dan - jarak titik, - perbedaan antara jarak ini atau perbedaan dalam perjalanan gelombang.

Karena perbedaan arah gelombang, gelombang kedua tertunda dibandingkan dengan yang pertama. Artinya fase osilasi pada gelombang pertama mendahului fase osilasi pada gelombang kedua, yaitu . Perbedaan fase mereka tetap konstan dari waktu ke waktu.

Ke titik TETAPI partikel berosilasi dengan amplitudo maksimum, puncak kedua gelombang atau palungnya harus mencapai titik TETAPI bersamaan dalam fase yang sama atau dengan beda fase sama dengan , di mana n- bilangan bulat, dan - adalah periode dari fungsi sinus dan kosinus,

Di sini , oleh karena itu, kondisi interferensi maksimum dapat ditulis dalam bentuk

Dimana adalah bilangan bulat.

Jadi, ketika gelombang koheren ditumpangkan, amplitudo osilasi yang dihasilkan maksimum jika perbedaan jalur gelombang sama dengan bilangan bulat panjang gelombang.

b) Kondisi minimum gangguan. Amplitudo getaran yang dihasilkan di suatu titik TETAPI minimal jika puncak dan palung dua gelombang koheren tiba di titik ini secara bersamaan. Ini berarti bahwa seratus gelombang akan sampai pada titik ini dalam antifase, yaitu. beda fasenya sama dengan or , dimana adalah bilangan bulat.

Kondisi minimum interferensi diperoleh dengan melakukan transformasi aljabar:

Jadi, amplitudo osilasi ketika dua gelombang koheren ditumpangkan adalah minimal jika perbedaan jalur gelombang sama dengan jumlah ganjil setengah gelombang.

24. Interferensi dan hukum kekekalan energi. Ketika gelombang berinterferensi di tempat minima interferensi, energi osilasi yang dihasilkan lebih kecil daripada energi gelombang interferensi. Tetapi di tempat-tempat interferensi maxima, energi osilasi yang dihasilkan melebihi jumlah energi gelombang-gelombang interferensi sebanyak energi yang telah berkurang di tempat-tempat interferensi minima.

Ketika gelombang berinterferensi, energi osilasi didistribusikan kembali di ruang angkasa, tetapi hukum kekekalan dipatuhi dengan ketat.

25.Difraksi gelombang- fenomena gelombang melilit rintangan, mis. penyimpangan dari propagasi gelombang bujursangkar.

Difraksi terutama terlihat ketika ukuran penghalang kurang dari atau sebanding dengan panjang gelombang. Biarkan layar berlubang, yang diameternya sebanding dengan panjang gelombang (Gbr. 97), ditempatkan di jalur perambatan gelombang bidang.

Menurut prinsip Huygens, setiap titik lubang menjadi sumber gelombang yang sama. Ukuran lubangnya sangat kecil sehingga semua sumber gelombang sekunder terletak sangat dekat satu sama lain sehingga semuanya dapat dianggap satu titik – salah satu sumber gelombang sekunder.

Jika sebuah rintangan ditempatkan di jalur gelombang, yang ukurannya sebanding dengan panjang gelombang, maka ujung-ujungnya, menurut prinsip Huygens, menjadi sumber gelombang sekunder. Tetapi ukuran celahnya sangat kecil sehingga ujung-ujungnya dapat dianggap bertepatan, mis. hambatan itu sendiri adalah sumber titik gelombang sekunder (Gbr.97).

Fenomena difraksi mudah diamati ketika gelombang merambat di atas permukaan air. Ketika gelombang mencapai tongkat tipis yang tidak bergerak, itu menjadi sumber gelombang (Gbr. 99).

25. Prinsip Huygens-Fresnel. Jika ukuran lubang secara signifikan melebihi panjang gelombang, maka gelombang, yang melewati lubang, merambat dalam garis lurus (Gbr. 100).

Jika ukuran penghalang secara signifikan melebihi panjang gelombang, maka zona bayangan terbentuk di belakang penghalang (Gbr. 101). Eksperimen ini bertentangan dengan prinsip Huygens. Fisikawan Prancis Fresnel melengkapi prinsip Huygens dengan gagasan koherensi gelombang sekunder. Setiap titik di mana gelombang telah tiba menjadi sumber gelombang yang sama, yaitu. gelombang koheren sekunder. Oleh karena itu, gelombang tidak ada hanya di tempat-tempat di mana kondisi minimum interferensi dipenuhi untuk gelombang sekunder.

26. gelombang terpolarisasi adalah gelombang transversal di mana semua partikel berosilasi pada bidang yang sama. Jika ujung bebas filamen berosilasi dalam satu bidang, maka gelombang terpolarisasi bidang merambat di sepanjang filamen. Jika ujung bebas filamen berosilasi dalam arah yang berbeda, maka gelombang yang merambat sepanjang filamen tidak terpolarisasi. Jika suatu rintangan berupa celah sempit diletakkan pada lintasan gelombang yang tidak terpolarisasi, maka setelah melewati celah tersebut gelombang tersebut menjadi terpolarisasi, karena slot melewati osilasi kabel yang terjadi di sepanjangnya.

Jika celah kedua yang sejajar dengan yang pertama ditempatkan pada jalur gelombang terpolarisasi, maka gelombang akan melewatinya dengan bebas (Gbr. 102).

Jika slot kedua ditempatkan pada sudut kanan ke yang pertama, maka gelombang akan berhenti menyebar. Alat yang memisahkan getaran yang terjadi pada satu bidang tertentu disebut polarizer (slot pertama). Perangkat yang menentukan bidang polarisasi disebut penganalisis.

27.Suara - ini adalah proses propagasi kompresi dan refraksi dalam media elastis, misalnya, dalam gas, cair atau logam. Perambatan kompresi dan penghalusan terjadi sebagai akibat dari tumbukan molekul.

28. Volume suara adalah kekuatan tumbukan gelombang suara pada gendang telinga manusia yang berasal dari tekanan suara.

Tekanan suara - Ini adalah tekanan tambahan yang terjadi dalam gas atau cairan ketika gelombang suara merambat. Tekanan suara tergantung pada amplitudo osilasi sumber suara. Jika kita membuat suara garpu tala dengan pukulan ringan, maka kita mendapatkan satu volume. Tetapi jika garpu tala dipukul lebih keras, maka amplitudo getarannya akan meningkat dan suaranya akan lebih keras. Dengan demikian, kenyaringan suara ditentukan oleh amplitudo osilasi sumber suara, yaitu. amplitudo fluktuasi tekanan suara.

29. Nada suara ditentukan oleh frekuensi getaran. Semakin tinggi frekuensi suara, semakin tinggi nadanya.

Getaran suara yang terjadi menurut hukum harmonik dianggap sebagai nada musik. Biasanya suara adalah suara yang kompleks, yang merupakan kombinasi dari getaran dengan frekuensi yang dekat.

Nada dasar dari suara yang kompleks adalah nada yang sesuai dengan frekuensi terendah dalam himpunan frekuensi dari suara yang diberikan. Nada yang sesuai dengan frekuensi lain dari suara yang kompleks disebut nada tambahan.

30. Timbre suara. Bunyi dengan nada dasar yang sama berbeda dalam timbre, yang ditentukan oleh serangkaian nada tambahan.

Setiap orang memiliki timbre yang unik. Oleh karena itu, kita selalu dapat membedakan suara seseorang dari suara orang lain, meskipun nada dasarnya sama.

31.USG. Telinga manusia merasakan suara yang frekuensinya antara 20 Hz dan 20.000 Hz.

Bunyi dengan frekuensi di atas 20.000 Hz disebut ultrasound. Ultrasound merambat dalam bentuk sinar sempit dan digunakan dalam deteksi sonar dan cacat. Ultrasound dapat menentukan kedalaman dasar laut dan mendeteksi cacat di berbagai bagian.

Misalnya, jika rel tidak retak, maka ultrasound yang dipancarkan dari salah satu ujung rel, yang dipantulkan dari ujung lainnya, hanya akan memberikan satu gema. Jika ada retakan, maka ultrasound akan dipantulkan dari retakan tersebut dan instrumen akan merekam beberapa gema. Dengan bantuan ultrasound, kapal selam, gerombolan ikan terdeteksi. Kelelawar menavigasi di luar angkasa dengan bantuan ultrasound.

32. infrasonik– Bunyi dengan frekuensi di bawah 20 Hz. Suara-suara ini dirasakan oleh beberapa hewan. Sumber mereka sering getaran kerak bumi selama gempa bumi.

33. efek Doppler- ini adalah ketergantungan frekuensi gelombang yang dirasakan pada pergerakan sumber atau penerima gelombang.

Biarkan perahu beristirahat di permukaan danau dan ombak menghantam sisinya dengan frekuensi tertentu. Jika perahu mulai bergerak melawan arah rambat gelombang, maka frekuensi tumbukan gelombang pada sisi perahu akan menjadi lebih besar. Selain itu, semakin besar kecepatan kapal, semakin besar frekuensi dampak gelombang di kapal. Sebaliknya, ketika perahu bergerak ke arah rambat gelombang, frekuensi tumbukan akan menjadi lebih kecil. Pertimbangan ini mudah dipahami dari Gambar. 103.

Semakin besar kecepatan gerakan yang akan datang, semakin sedikit waktu yang dihabiskan untuk melewati jarak antara dua punggung bukit terdekat, yaitu. semakin pendek periode gelombang dan semakin besar frekuensi gelombang relatif terhadap perahu.

Jika pengamat tidak bergerak, tetapi sumber gelombangnya bergerak, maka frekuensi gelombang yang dirasakan oleh pengamat bergantung pada pergerakan sumbernya.

Biarkan bangau berjalan di sepanjang danau dangkal menuju pengamat. Setiap kali dia memasukkan kakinya ke dalam air, ombak keluar dari tempat itu. Dan setiap kali jarak antara gelombang pertama dan terakhir berkurang, yaitu. pada jarak yang lebih kecil, lebih banyak punggungan dan palung yang cocok. Oleh karena itu, bagi seorang pengamat yang tidak bergerak ke arah mana bangau berjalan, frekuensinya meningkat. Dan sebaliknya untuk pengamat yang tidak bergerak yang berada pada titik yang berlawanan secara diametris pada jarak yang lebih jauh, terdapat banyak punggung bukit dan lembah. Oleh karena itu, untuk pengamat ini, frekuensinya berkurang (Gbr. 104).

Gelombang mekanik atau elastis adalah proses perambatan osilasi dalam media elastis. Misalnya, udara mulai berosilasi di sekitar senar yang bergetar atau kerucut pengeras suara - senar atau pengeras suara telah menjadi sumber gelombang suara.

Untuk terjadinya gelombang mekanik, dua kondisi harus dipenuhi - adanya sumber gelombang (bisa berupa benda berosilasi) dan media elastis (gas, cair, padat).

Cari tahu penyebab gelombang. Mengapa partikel-partikel medium yang mengelilingi benda yang berosilasi juga ikut bergerak?

Model paling sederhana dari media elastis satu dimensi adalah rantai bola yang dihubungkan oleh pegas. Bola adalah model molekul, pegas yang menghubungkannya memodelkan gaya interaksi antar molekul.

Misalkan bola pertama berosilasi dengan frekuensi . Pegas 1-2 berubah bentuk, gaya elastis muncul di dalamnya, yang berubah dengan frekuensi . Di bawah aksi gaya eksternal yang berubah secara berkala, bola kedua mulai melakukan osilasi paksa. Karena osilasi paksa selalu terjadi pada frekuensi gaya penggerak eksternal, frekuensi osilasi bola kedua akan bertepatan dengan frekuensi osilasi yang pertama. Namun, osilasi paksa dari bola kedua akan terjadi dengan beberapa fase tunda relatif terhadap gaya penggerak eksternal. Dengan kata lain, bola kedua akan mulai berosilasi lebih lambat dari bola pertama.

Getaran bola kedua akan menyebabkan deformasi pegas 2-3 yang berubah secara berkala, yang akan membuat bola ketiga berosilasi, dan seterusnya. Dengan demikian, semua bola dalam rantai secara bergantian akan terlibat dalam gerak osilasi dengan frekuensi osilasi bola pertama.

Jelas, penyebab perambatan gelombang dalam media elastis adalah adanya interaksi antar molekul. Frekuensi osilasi semua partikel dalam gelombang adalah sama dan bertepatan dengan frekuensi osilasi sumber gelombang.

Menurut sifat getaran partikel dalam gelombang, gelombang dibagi menjadi gelombang transversal, longitudinal dan permukaan.

PADA gelombang longitudinal partikel berosilasi sepanjang arah rambat gelombang.

Perambatan gelombang longitudinal dikaitkan dengan terjadinya deformasi tarik-tekan pada medium. Di area media yang diregangkan, penurunan kepadatan zat diamati - penghalusan. Di area media yang terkompresi, sebaliknya, ada peningkatan kepadatan zat - yang disebut penebalan. Untuk alasan ini, gelombang longitudinal adalah gerakan di ruang area kondensasi dan penghalusan.

Deformasi tarik-tekan dapat terjadi pada media elastis apa pun, sehingga gelombang longitudinal dapat merambat dalam gas, cairan, dan padatan. Contoh gelombang longitudinal adalah bunyi.

PADA gelombang geser partikel berosilasi tegak lurus terhadap arah rambat gelombang.

Perambatan gelombang transversal dikaitkan dengan terjadinya deformasi geser pada medium. Deformasi semacam ini hanya dapat terjadi pada zat padat, sehingga gelombang transversal hanya dapat merambat pada zat padat. Contoh gelombang geser adalah gelombang S seismik.

gelombang permukaan terjadi pada antarmuka antara dua media. Partikel berosilasi dari medium memiliki komponen transversal, tegak lurus terhadap permukaan, dan longitudinal dari vektor perpindahan. Selama osilasinya, partikel-partikel medium menggambarkan lintasan elips pada bidang yang tegak lurus terhadap permukaan dan melewati arah rambat gelombang. Contoh gelombang permukaan adalah gelombang di permukaan air dan gelombang L seismik.

Muka gelombang adalah tempat kedudukan titik-titik yang dicapai oleh proses gelombang. Bentuk muka gelombang bisa berbeda. Yang paling umum adalah gelombang bidang, bola dan silinder.

Perhatikan bahwa muka gelombang selalu terletak tegak lurus arah gelombang! Semua titik muka gelombang akan mulai berosilasi dalam satu fase.

Untuk mengkarakterisasi proses gelombang, besaran berikut diperkenalkan:

1. Frekuensi gelombang adalah frekuensi osilasi semua partikel dalam gelombang.

2. Amplitudo gelombang A adalah amplitudo osilasi partikel dalam gelombang.

3. Kecepatan gelombang adalah jarak di mana proses gelombang (gangguan) merambat per satuan waktu.

Perhatikan - kecepatan gelombang dan kecepatan osilasi partikel dalam gelombang adalah konsep yang berbeda! Kecepatan gelombang tergantung pada dua faktor: jenis gelombang dan media di mana gelombang merambat.

Pola umumnya adalah sebagai berikut: kecepatan gelombang longitudinal dalam padatan lebih besar daripada dalam cairan, dan kecepatan dalam cairan, pada gilirannya, lebih besar dari kecepatan gelombang dalam gas.

Tidak sulit untuk memahami alasan fisik dari keteraturan ini. Penyebab perambatan gelombang adalah interaksi molekul. Secara alami, gangguan menyebar lebih cepat di media di mana interaksi molekul lebih kuat.

Dalam medium yang sama, keteraturannya berbeda - kecepatan gelombang longitudinal lebih besar dari kecepatan gelombang transversal.

Misalnya, kecepatan gelombang longitudinal dalam zat padat, di mana E adalah modulus elastisitas (modulus Young) zat, adalah kerapatan zat.

Kecepatan gelombang geser dalam padatan, di mana N adalah modulus geser. Karena untuk semua zat , maka . Salah satu metode untuk menentukan jarak ke sumber gempa didasarkan pada perbedaan kecepatan gelombang seismik longitudinal dan transversal.

Laju gelombang transversal dalam tali atau tali yang diregangkan ditentukan oleh gaya tegangan F dan massa per satuan panjang :

4. panjang gelombang adalah jarak minimum antara titik yang berosilasi sama.

Untuk gelombang yang merambat di permukaan air, panjang gelombang dengan mudah didefinisikan sebagai jarak antara dua punuk yang berdekatan atau depresi yang berdekatan.

Untuk gelombang longitudinal, panjang gelombang dapat ditemukan sebagai jarak antara dua konsentrasi atau fraksi yang berdekatan.

5. Dalam proses perambatan gelombang, bagian-bagian medium terlibat dalam proses osilasi. Sebuah media berosilasi, pertama, bergerak, oleh karena itu, ia memiliki energi kinetik. Kedua, medium yang dilalui gelombang mengalami deformasi, sehingga memiliki energi potensial. Sangat mudah untuk melihat bahwa perambatan gelombang dikaitkan dengan transfer energi ke bagian medium yang tidak tereksitasi. Untuk mengkarakterisasi proses transfer energi, kami memperkenalkan intensitas gelombang Saya.

Ketika di suatu tempat dari medium padat, cair atau gas, getaran partikel tereksitasi, hasil interaksi atom dan molekul medium adalah transmisi getaran dari satu titik ke titik lain dengan kecepatan yang terbatas.

Definisi 1

Melambai adalah proses perambatan getaran dalam medium.

Ada beberapa jenis gelombang mekanik:

Definisi 2

gelombang transversal: partikel medium dipindahkan dalam arah tegak lurus terhadap arah rambat gelombang mekanik.

Contoh: gelombang yang merambat sepanjang tali atau karet gelang dalam gaya tarik (Gambar 2.6.1);

Definisi 3

Gelombang longitudinal: partikel medium dipindahkan ke arah rambat gelombang mekanik.

Contoh: gelombang yang merambat dalam gas atau batang elastis (Gambar 2.6.2).

Menariknya, gelombang pada permukaan cairan mencakup komponen transversal dan longitudinal.

Catatan 1

Kami menunjukkan klarifikasi penting: ketika gelombang mekanik merambat, mereka mentransfer energi, bentuk, tetapi tidak mentransfer massa, mis. di kedua jenis gelombang, tidak ada transfer materi dalam arah rambat gelombang. Saat merambat, partikel medium berosilasi di sekitar posisi kesetimbangan. Dalam hal ini, seperti yang telah kami katakan, gelombang mentransfer energi, yaitu energi osilasi dari satu titik medium ke titik lainnya.

Gambar 2. 6. satu . Perambatan gelombang transversal sepanjang karet gelang dalam tegangan.

Gambar 2. 6. 2. Perambatan gelombang longitudinal sepanjang batang elastis.

Ciri khas gelombang mekanik adalah perambatannya dalam media material, tidak seperti, misalnya, gelombang cahaya, yang juga dapat merambat dalam ruang hampa. Untuk terjadinya impuls gelombang mekanik, diperlukan media yang memiliki kemampuan untuk menyimpan energi kinetik dan potensial: yaitu. medium harus memiliki sifat inert dan elastis. Dalam lingkungan nyata, properti ini didistribusikan ke seluruh volume. Misalnya, setiap elemen kecil dari benda padat memiliki massa dan elastisitas. Model satu dimensi paling sederhana dari benda seperti itu adalah satu set bola dan pegas (Gambar 2.6.3).

Gambar 2. 6. 3 . Model satu dimensi paling sederhana dari benda tegar.

Dalam model ini, sifat inert dan elastis dipisahkan. Bola memiliki massa m, dan pegas - kekakuan k . Model sederhana seperti itu memungkinkan untuk menggambarkan perambatan gelombang mekanik longitudinal dan transversal dalam padatan. Ketika gelombang longitudinal merambat, bola dipindahkan di sepanjang rantai, dan pegas diregangkan atau dikompresi, yang merupakan deformasi peregangan atau kompresi. Jika deformasi tersebut terjadi dalam media cair atau gas, itu disertai dengan pemadatan atau penghalusan.

Catatan 2

Ciri khas gelombang longitudinal adalah mereka dapat merambat di media apa pun: padat, cair, dan gas.

Jika dalam model tertentu dari benda tegar satu atau beberapa bola menerima perpindahan tegak lurus ke seluruh rantai, kita dapat berbicara tentang terjadinya deformasi geser. Pegas yang mengalami deformasi akibat perpindahan akan cenderung mengembalikan partikel yang dipindahkan ke posisi setimbang, dan partikel terdekat yang tidak berpindah akan mulai dipengaruhi oleh gaya elastis yang cenderung membelokkan partikel tersebut dari posisi setimbang. Hasilnya adalah munculnya gelombang transversal ke arah sepanjang rantai.

Dalam media cair atau gas, deformasi geser elastis tidak terjadi. Perpindahan satu lapisan cairan atau gas pada jarak tertentu relatif terhadap lapisan tetangga tidak akan menyebabkan munculnya gaya tangensial pada batas antara lapisan. Gaya-gaya yang bekerja pada batas cairan dan padatan, serta gaya-gaya antara lapisan-lapisan fluida yang berdekatan, selalu diarahkan sepanjang garis normal ke batas - ini adalah gaya-gaya tekanan. Hal yang sama dapat dikatakan tentang medium gas.

Catatan 3

Dengan demikian, kemunculan gelombang transversal tidak mungkin terjadi dalam media cair atau gas.

Dalam hal aplikasi praktis, gelombang harmonik atau sinus sederhana menjadi perhatian khusus. Mereka dicirikan oleh amplitudo osilasi partikel A, frekuensi f dan panjang gelombang . Gelombang sinusoidal merambat dalam media homogen dengan kecepatan konstan .

Mari kita tulis ekspresi yang menunjukkan ketergantungan perpindahan y (x, t) partikel medium dari posisi kesetimbangan dalam gelombang sinusoidal pada koordinat x pada sumbu O X di mana gelombang merambat, dan pada waktu t:

y (x, t) = A cos t - x = A cos t - k x .

Dalam ekspresi di atas, k = adalah yang disebut bilangan gelombang, dan = 2 f adalah frekuensi melingkar.

Gambar 2. 6. 4 menunjukkan "snapshots" dari gelombang geser pada waktu t dan t + t. Selama selang waktu t gelombang bergerak sepanjang sumbu O X pada jarak t . Gelombang seperti ini disebut gelombang berjalan.

Gambar 2. 6. 4 . "Snapshots" dari gelombang sinus yang berjalan pada suatu saat t dan t + t.

Definisi 4

panjang gelombang adalah jarak antara dua titik yang berdekatan pada sumbu SAPI berosilasi dalam fase yang sama.

Jarak, yang nilainya adalah panjang gelombang , gelombang merambat dalam periode T. Jadi, rumus panjang gelombang adalah: = T, di mana adalah kecepatan rambat gelombang.

Dengan berlalunya waktu t, koordinat berubah x sembarang titik pada grafik yang menampilkan proses gelombang (misalnya titik A pada Gambar 2. 6. 4), sedangkan nilai ekspresi t - k x tetap tidak berubah. Setelah beberapa waktu t titik A akan bergerak sepanjang sumbu SAPI jarak tertentu x = t . Dengan demikian:

t - k x = (t + ∆ t) - k (x + x) = c o n s t atau ∆ t = k x .

Dari ungkapan ini berikut ini:

= x t = k atau k = 2 = .

Menjadi jelas bahwa gelombang sinusoidal berjalan memiliki periodisitas ganda - dalam ruang dan waktu. Periode waktu sama dengan periode osilasi T partikel medium, dan periode spasial sama dengan panjang gelombang .

Definisi 5

nomor gelombang k = 2 adalah analog spasial dari frekuensi melingkar = - 2 T .

Mari kita tekankan bahwa persamaan y (x, t) = A cos t + k x adalah deskripsi dari gelombang sinusoidal yang merambat dalam arah yang berlawanan dengan arah sumbu SAPI, dengan kecepatan = - k .

Ketika gelombang berjalan merambat, semua partikel medium berosilasi secara harmonis dengan frekuensi tertentu . Ini berarti bahwa, seperti dalam proses osilasi sederhana, energi potensial rata-rata, yang merupakan cadangan volume tertentu medium, adalah energi kinetik rata-rata dalam volume yang sama, sebanding dengan kuadrat amplitudo osilasi.

Catatan 4

Dari uraian di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa ketika gelombang berjalan merambat, muncul fluks energi yang sebanding dengan kecepatan gelombang dan kuadrat amplitudonya.

Gelombang merambat bergerak dalam medium dengan kecepatan tertentu, yang bergantung pada jenis gelombang, sifat inert dan elastisitas medium.

Cepat rambat gelombang transversal dalam tali atau karet gelang yang diregangkan bergantung pada massa linier (atau massa per satuan panjang) dan gaya tarik T:

Kecepatan perambatan gelombang longitudinal dalam media tak terbatas dihitung dengan partisipasi jumlah seperti kepadatan media (atau massa per satuan volume) dan modulus curah B(sama dengan koefisien proporsionalitas antara perubahan tekanan p dan perubahan relatif volume V V , diambil dengan tanda yang berlawanan):

p = - B V V .

Dengan demikian, kecepatan rambat gelombang longitudinal dalam media tak hingga ditentukan oleh rumus:

Contoh 1

Pada suhu 20 ° C, kecepatan rambat gelombang longitudinal dalam air adalah 1480 m / s, di berbagai kelas baja 5 - 6 km / s.

Jika kita berbicara tentang gelombang longitudinal yang merambat di batang elastis, rumus kecepatan gelombang tidak mengandung modulus kompresi, tetapi modulus Young:

Untuk perbedaan baja E dari B sedikit, tetapi untuk bahan lain bisa 20 - 30% atau lebih.

Gambar 2. 6. 5 . Model gelombang longitudinal dan transversal.

Misalkan gelombang mekanik yang merambat dalam medium tertentu menemui hambatan dalam perjalanannya: dalam hal ini, sifat perilakunya akan berubah secara dramatis. Misalnya, pada antarmuka antara dua media dengan sifat mekanik yang berbeda, gelombang sebagian dipantulkan, dan sebagian menembus ke dalam media kedua. Gelombang yang berjalan di sepanjang karet gelang atau tali akan dipantulkan dari ujung yang tetap, dan gelombang lawan akan muncul. Jika kedua ujung tali difiksasi, akan muncul getaran kompleks, yang merupakan hasil dari superimposisi (superposisi) dua gelombang yang merambat dalam arah yang berlawanan dan mengalami pemantulan dan pemantulan kembali pada ujungnya. Beginilah cara senar dari semua alat musik petik "bekerja", dipasang di kedua ujungnya. Proses serupa terjadi dengan suara alat musik tiup, khususnya, pipa organ.

Jika gelombang yang merambat sepanjang tali dengan arah yang berlawanan berbentuk sinusoidal, maka pada kondisi tertentu akan membentuk gelombang berdiri.

Misalkan string dengan panjang l dipasang sedemikian rupa sehingga salah satu ujungnya terletak di titik x \u003d 0, dan yang lainnya di titik x 1 \u003d L (Gambar 2.6.6). Ada ketegangan di tali T.

Gambar 2 . 6 . 6 . Timbulnya gelombang berdiri pada tali yang diikatkan pada kedua ujungnya.

Dua gelombang dengan frekuensi yang sama berjalan bersamaan di sepanjang tali dengan arah yang berlawanan:

• y 1 (x, t) = A cos (ω t + k x) adalah gelombang yang merambat dari kanan ke kiri;
• y 2 (x, t) = A cos (ω t - k x) adalah gelombang yang merambat dari kiri ke kanan.

Titik x = 0 adalah salah satu ujung tetap dari tali: pada titik ini gelombang datang y 1 menciptakan gelombang y 2 sebagai hasil pemantulan. Memantulkan dari ujung tetap, gelombang yang dipantulkan memasuki antifase dengan yang datang. Sesuai dengan prinsip superposisi (yang merupakan fakta eksperimental), getaran yang diciptakan oleh gelombang yang merambat di semua titik tali dijumlahkan. Dari penjelasan di atas, fluktuasi akhir pada setiap titik didefinisikan sebagai jumlah fluktuasi yang disebabkan oleh gelombang y 1 dan y 2 secara terpisah. Dengan demikian:

y \u003d y 1 (x, t) + y 2 (x, t) \u003d (- 2 A sin t) sin k x.

Ungkapan di atas merupakan gambaran dari gelombang berdiri. Mari kita perkenalkan beberapa konsep yang berlaku untuk fenomena seperti gelombang berdiri.

Definisi 6

simpul adalah titik-titik imobilitas dalam gelombang berdiri.

antinode– titik yang terletak di antara node dan berosilasi dengan amplitudo maksimum.

Jika kita mengikuti definisi ini, untuk gelombang berdiri terjadi, kedua ujung tetap dari string harus node. Rumus di atas memenuhi kondisi ini di ujung kiri (x = 0) . Untuk memenuhi kondisi di ujung kanan (x = L) , perlu bahwa k L = n , di mana n adalah bilangan bulat apa pun. Dari apa yang telah dikatakan, kita dapat menyimpulkan bahwa gelombang berdiri tidak selalu muncul dalam seutas tali, tetapi hanya jika panjangnya L string sama dengan bilangan bulat dari setengah panjang gelombang:

l = n n 2 atau n = 2 l n (n = 1 , 2 , 3 , . . .) .

Himpunan nilai n panjang gelombang sesuai dengan himpunan frekuensi yang mungkin f

f n = λ n = n 2 l = n f 1 .

Dalam notasi ini, = T adalah kecepatan rambat gelombang transversal sepanjang tali.

Definisi 7

Masing-masing frekuensi f n dan jenis getaran dawai yang terkait dengannya disebut mode normal. Frekuensi terendah f 1 disebut frekuensi dasar, yang lainnya (f 2 , f 3 , ...) disebut harmonik.

Gambar 2. 6. 6 mengilustrasikan mode normal untuk n = 2.

Gelombang berdiri tidak memiliki aliran energi. Energi getaran, "terkunci" di segmen string antara dua node tetangga, tidak ditransfer ke sisa string. Di setiap segmen tersebut, periodik (dua kali per periode) T) konversi energi kinetik menjadi energi potensial dan sebaliknya, mirip dengan sistem osilasi biasa. Namun, ada perbedaan di sini: jika beban pada pegas atau bandul memiliki frekuensi alami tunggal f 0 = 0 2 , maka string dicirikan oleh adanya frekuensi alami (resonansi) f n . Gambar 2. 6. Gambar 7 menunjukkan beberapa varian gelombang berdiri pada tali yang dipasang pada kedua ujungnya.

Gambar 2. 6. 7. Lima mode getaran normal pertama dari seutas tali yang dipasang di kedua ujungnya.

Menurut prinsip superposisi, gelombang berdiri dari berbagai jenis (dengan nilai yang berbeda n) dapat hadir secara bersamaan dalam getaran dawai.

Gambar 2. 6. delapan . Model mode normal string.

Jika Anda melihat kesalahan dalam teks, harap sorot dan tekan Ctrl+Enter