Conferencia - 14. Ondas mecánicas.
2. Onda mecánica.
3. Fuente de ondas mecánicas.
4. Punto de origen de las olas.
5. Onda transversal.
6. Onda longitudinal.
7. Frente de onda.
9. Ondas periódicas.
10. Onda armónica.
11. Longitud de onda.
12. Velocidad de distribución.
13. Dependencia de la velocidad de onda de las propiedades del medio.
14. Principio de Huygens.
15. Reflexión y refracción de ondas.
16. La ley de la reflexión de las ondas.
17. La ley de la refracción de las ondas.
18. Ecuación de una onda plana.
19. Energía e intensidad de la onda.
20. El principio de superposición.
21. Vibraciones coherentes.
22. Ondas coherentes.
23. Interferencia de ondas. a) condición de máxima interferencia, b) condición de mínima interferencia.
24. Interferencia y ley de conservación de la energía.
25. Difracción de ondas.
26. Principio de Huygens-Fresnel.
27. Onda polarizada.
29. Volumen del sonido.
30. Tono de sonido.
31. Timbre del sonido.
32. Ultrasonido.
33. Infrasonidos.
34. Efecto Doppler.
1.Ola - este es el proceso de propagación de oscilaciones de cualquier cantidad física en el espacio. Por ejemplo, las ondas sonoras en gases o líquidos representan la propagación de fluctuaciones de presión y densidad en estos medios. onda electromagnética- este es el proceso de propagación en el espacio de las fluctuaciones en la intensidad de los campos magnéticos eléctricos.
La energía y el momento pueden transferirse en el espacio mediante la transferencia de materia. Cualquier cuerpo en movimiento tiene energía cinética. Por lo tanto, transfiere energía cinética al transferir materia. El mismo cuerpo, al calentarse, moverse en el espacio, transfiere energía térmica, transfiere materia.
Las partículas de un medio elástico están interconectadas. Perturbaciones, es decir las desviaciones de la posición de equilibrio de una partícula se transfieren a las partículas vecinas, es decir, la energía y el momento se transfieren de una partícula a las partículas vecinas, mientras que cada partícula permanece cerca de su posición de equilibrio. Por lo tanto, la energía y el momento se transfieren a lo largo de la cadena de una partícula a otra y no hay transferencia de materia.
Entonces, el proceso ondulatorio es el proceso de transferencia de energía y cantidad de movimiento en el espacio sin transferencia de materia.
2. Onda mecánica u onda elástica es una perturbación (oscilación) que se propaga en medio elástico. El medio elástico en el que se propagan las ondas mecánicas es el aire, el agua, la madera, los metales y otras sustancias elásticas. Las ondas elásticas se llaman ondas sonoras.
3. Fuente de ondas mecánicas- un cuerpo que realiza un movimiento oscilatorio, estando en un medio elástico, por ejemplo, diapasones vibratorios, cuerdas, cuerdas vocales.
4. Fuente puntual de ondas - una fuente de una onda cuyas dimensiones pueden despreciarse en comparación con la distancia sobre la cual se propaga la onda.
5. onda transversal - una onda en la que las partículas del medio oscilan en una dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, las ondas en la superficie del agua son ondas transversales, porque las vibraciones de las partículas de agua ocurren en una dirección perpendicular a la dirección de la superficie del agua, y la onda se propaga a lo largo de la superficie del agua. Una onda transversal se propaga a lo largo de una cuerda, un extremo del cual está fijo, el otro oscila en un plano vertical.
Una onda transversal solo puede propagarse a lo largo de la interfaz entre el espíritu de diferentes medios.
6. Onda longitudinal - una onda en la que las vibraciones ocurren en la dirección de propagación de la onda. Se produce una onda longitudinal en un resorte helicoidal largo si uno de sus extremos está sujeto a perturbaciones periódicas dirigidas a lo largo del resorte. La onda elástica que corre a lo largo del resorte es una secuencia de propagación de compresión y tensión (Fig. 88)
Una onda longitudinal puede propagarse solo dentro de un medio elástico, por ejemplo, en el aire, en el agua. En sólidos y líquidos, tanto las ondas transversales como las longitudinales pueden propagarse simultáneamente, porque un cuerpo sólido y un líquido siempre están limitados por una superficie: la interfaz entre dos medios. Por ejemplo, si una barra de acero se golpea en el extremo con un martillo, la deformación elástica comenzará a propagarse en ella. Una onda transversal recorrerá la superficie de la varilla y una onda longitudinal se propagará en su interior (compresión y rarefacción del medio) (Fig. 89).
7. Frente de onda (superficie de onda) es el lugar geométrico de los puntos que oscilan en las mismas fases. En la superficie de la onda, las fases de los puntos oscilantes en el momento de tiempo considerado tienen el mismo valor. Si se arroja una piedra a un lago tranquilo, las ondas transversales en forma de círculo comenzarán a propagarse a lo largo de la superficie del lago desde el lugar de su caída, con el centro en el lugar donde cayó la piedra. En este ejemplo, el frente de onda es un círculo.
En una onda esférica, el frente de onda es una esfera. Tales ondas son generadas por fuentes puntuales.
A distancias muy grandes de la fuente, la curvatura del frente puede despreciarse y el frente de onda puede considerarse plano. En este caso, la onda se llama onda plana.
8. Viga - recta la línea es normal a la superficie de la onda. En una onda esférica, los rayos se dirigen a lo largo de los radios de las esferas desde el centro, donde se encuentra la fuente de la onda (Fig. 90).
En una onda plana, los rayos se dirigen perpendicularmente a la superficie del frente (Fig. 91).
9. Ondas periódicas. Cuando hablamos de ondas, nos referimos a una sola perturbación que se propaga en el espacio.
Si la fuente de ondas realiza oscilaciones continuas, en el medio surgen ondas elásticas que viajan una tras otra. Tales ondas se llaman periódicas.
10. onda armónica- una onda generada por oscilaciones armónicas. Si la fuente de onda hace vibraciones armónicas, luego genera ondas armónicas, ondas en las que las partículas oscilan de acuerdo con una ley armónica.
11. Longitud de onda. Deje que una onda armónica se propague a lo largo del eje OX y oscile en la dirección del eje OY. Esta onda es transversal y se puede representar como una sinusoide (Fig.92).
Tal onda puede obtenerse provocando vibraciones en el plano vertical del extremo libre de la cuerda.
La longitud de onda es la distancia entre dos puntos más cercanos. A y B oscilando en las mismas fases (Fig. 92).
12. Velocidad de propagación de ondas – cantidad física numéricamente igual a la velocidad de propagación de las oscilaciones en el espacio. de la fig. 92 se deduce que el tiempo durante el cual la oscilación se propaga de un punto a otro A al punto V, es decir. por una distancia de una longitud de onda igual al período de oscilación. Por lo tanto, la velocidad de propagación de la onda es
13. Dependencia de la velocidad de propagación de la onda de las propiedades del medio. La frecuencia de las oscilaciones cuando se produce una onda depende únicamente de las propiedades de la fuente de la onda y no depende de las propiedades del medio. La velocidad de propagación de la onda depende de las propiedades del medio. Por lo tanto, la longitud de onda cambia al cruzar la interfaz entre dos medios diferentes. La velocidad de la onda depende del enlace entre los átomos y las moléculas del medio. El enlace entre átomos y moléculas en líquidos y sólidos es mucho más rígido que en los gases. Por tanto, la velocidad de las ondas sonoras en líquidos y sólidos es mucho mayor que en los gases. En el aire, la velocidad del sonido a condiciones normales igual a 340, en agua 1500 y en acero 6000.
La velocidad promedio del movimiento térmico de las moléculas en los gases disminuye al disminuir la temperatura y, como resultado, la velocidad de propagación de las ondas en los gases disminuye. En un medio más denso, y por tanto más inerte, la velocidad de onda es menor. Si el sonido se propaga en el aire, entonces su velocidad depende de la densidad del aire. Donde la densidad del aire es mayor, la velocidad del sonido es menor. Por el contrario, donde la densidad del aire es menor, la velocidad del sonido es mayor. Como resultado, cuando el sonido se propaga, el frente de onda se distorsiona. Sobre un pantano o sobre un lago, especialmente en hora de la tarde la densidad del aire cerca de la superficie debido al vapor de agua es mayor que a cierta altura. Por lo tanto, la velocidad del sonido cerca de la superficie del agua es menor que a cierta altura. Como resultado, el frente de onda gira de tal manera que parte superior El frente se curva cada vez más hacia la superficie del lago. Resulta que la energía de una onda que viaja a lo largo de la superficie del lago y la energía de una onda que viaja en ángulo con respecto a la superficie del lago se suman. Por lo tanto, por la noche, el sonido se distribuye bien por el lago. Incluso una conversación tranquila se puede escuchar de pie en la orilla opuesta.
14. Principio de Huygens- cada punto de la superficie que ha alcanzado la onda en un momento dado es una fuente de ondas secundarias. Dibujando una superficie tangente a los frentes de todas las ondas secundarias, obtenemos el frente de onda la próxima vez.
Considere, por ejemplo, una onda que se propaga sobre la superficie del agua desde un punto O(Fig.93) Que en el momento del tiempo t el frente tenía la forma de un círculo de radio R centrado en un punto O. En el siguiente instante de tiempo, cada onda secundaria tendrá un frente en forma de círculo de radio , donde V es la velocidad de propagación de la onda. Dibujando una superficie tangente a los frentes de las ondas secundarias, obtenemos el frente de onda en el momento del tiempo (Fig. 93)
Si la onda se propaga en un medio continuo, entonces el frente de onda es una esfera.
15. Reflexión y refracción de ondas. Cuando una onda incide en la interfaz entre dos medios diferentes, cada punto de esta superficie, según el principio de Huygens, se convierte en una fuente de ondas secundarias que se propagan a ambos lados de la superficie de la sección. Por lo tanto, al cruzar la interfaz entre dos medios, la onda se refleja parcialmente y atraviesa parcialmente esta superficie. Porque diferentes medios, entonces la velocidad de las ondas en ellos es diferente. Por lo tanto, al cruzar la interfaz entre dos medios, la dirección de propagación de la onda cambia, es decir, se produce el rompimiento de las olas. Considere, sobre la base del principio de Huygens, que el proceso y las leyes de reflexión y refracción están completos.
16. Ley de reflexión de ondas. Deje que una onda plana caiga en una interfaz plana entre dos medios diferentes. Seleccionemos en él el área entre los dos rayos y (Fig. 94)
El ángulo de incidencia es el ángulo entre el haz incidente y la perpendicular a la interfaz en el punto de incidencia.
Ángulo de reflexión: el ángulo entre el haz reflejado y la perpendicular a la interfaz en el punto de incidencia.
En el momento en que el haz alcance la interfaz en el punto , este punto se convertirá en una fuente de ondas secundarias. El frente de onda en este momento está marcado por un segmento de línea recta C.A.(Fig. 94). En consecuencia, el rayo todavía tiene que ir a la interfaz en este momento, el camino sudoeste. Deje que el rayo recorra este camino en el tiempo. Los rayos incidente y reflejado se propagan en el mismo lado de la interfaz, por lo que sus velocidades son las mismas e iguales v. Entonces .
Durante el tiempo que la onda secundaria desde el punto A seguirá el camino. Por eso . triángulos rectángulos y son iguales, porque - hipotenusa y catetos comunes. De la igualdad de los triángulos se sigue la igualdad de los ángulos 
. Pero también, es decir, .
Ahora formulamos la ley de reflexión de ondas: haz incidente, haz reflejado , las perpendiculares a la interfaz entre dos medios, restauradas en el punto de incidencia, se encuentran en el mismo plano; el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
17. Ley de refracción de onda. Deje que una onda plana pase a través de una interfaz plana entre dos medios. Y el ángulo de incidencia es diferente de cero (Fig.95).
El ángulo de refracción es el ángulo entre el haz refractado y la perpendicular a la interfaz, restaurada en el punto de incidencia.
Denote y las velocidades de propagación de la onda en los medios 1 y 2. En el momento en que el haz alcanza la interfaz en el punto A, este punto se convertirá en una fuente de ondas que se propagan en el segundo medio: el rayo , y el rayo todavía tiene que recorrer el camino hacia la superficie de la sección. Sea el tiempo que tarda el haz en recorrer la trayectoria SUDOESTE, entonces . Durante el mismo tiempo en el segundo medio, el rayo recorrerá el camino. Porque , entonces y .
Los triángulos y los ángulos rectos con una hipotenusa común , y = , son como ángulos con lados mutuamente perpendiculares. Para los ángulos y escribimos las siguientes igualdades
.
Teniendo en cuenta que , , obtenemos
Ahora formulamos la ley de refracción de ondas: El haz incidente, el haz refractado y la perpendicular a la interfaz entre dos medios, restaurados en el punto de incidencia, se encuentran en el mismo plano; la relación entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es un valor constante para dos medios dados y se denomina índice de refracción relativo para los dos medios dados.
18. Ecuación de onda plana. Partículas del medio que están a distancia. S de la fuente de las ondas comienzan a oscilar solo cuando la onda lo alcanza. Si V es la velocidad de propagación de la onda, entonces las oscilaciones comenzarán con un retraso por un tiempo
Si la fuente de onda oscila de acuerdo con la ley armónica, entonces para una partícula ubicada a una distancia S de la fuente, escribimos la ley de oscilaciones en la forma
.
Introducimos el valor 
llamado número de onda. Muestra cuántas longitudes de onda caben en la distancia. unidades longitud. Ahora la ley de oscilaciones de una partícula de un medio ubicado a una distancia S de la fuente escribimos en la forma
.
Esta ecuación define el desplazamiento del punto de oscilación en función del tiempo y la distancia desde la fuente de onda y se denomina ecuación de onda plana.
19. Energía e intensidad de las olas. Cada partícula que ha alcanzado la onda oscila y por lo tanto tiene energía. Deje que una onda se propague en algún volumen de un medio elástico con una amplitud A y frecuencia cíclica. Esto significa que la energía promedio de las oscilaciones en este volumen es igual a
Donde metro- la masa del volumen asignado del medio.
La densidad de energía promedio (promedio sobre volumen) es la energía de onda por unidad de volumen del medio
, donde es la densidad del medio.
Intensidad de las olas es una cantidad física numéricamente igual a la energía que una onda transfiere por unidad de tiempo a través de una unidad de área del plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda (a través de una unidad de área del frente de onda), es decir
.
La potencia promedio de una onda es la energía total promedio transferida por una onda por unidad de tiempo a través de una superficie con un área S. Obtenemos la potencia media de las olas multiplicando la intensidad de las olas por el área S
20.El principio de superposición (overlay). Si las ondas de dos o más fuentes se propagan en un medio elástico, entonces, como muestran las observaciones, las ondas pasan una a través de la otra sin afectarse entre sí en absoluto. En otras palabras, las ondas no interactúan entre sí. Esto se explica por el hecho de que, dentro de los límites de la deformación elástica, la compresión y la tensión en una dirección no afectan de ningún modo a las propiedades elásticas en otras direcciones.
Así, cada punto del medio por donde llegan dos o más ondas participa en las oscilaciones provocadas por cada onda. En este caso, el desplazamiento resultante de una partícula del medio en cualquier momento es igual a suma geométrica desplazamientos provocados por cada uno de los procesos oscilatorios de plegamiento. Esta es la esencia del principio de superposición o superposición de oscilaciones.
El resultado de la suma de oscilaciones depende de la amplitud, frecuencia y diferencia de fase de los procesos oscilatorios emergentes.
21. Oscilaciones coherentes - oscilaciones con la misma frecuencia y una diferencia de fase constante en el tiempo.
22.ondas coherentes- ondas de la misma frecuencia o de la misma longitud de onda, cuya diferencia de fase en un punto dado del espacio permanece constante en el tiempo.
23.Interferencia de ondas- el fenómeno de aumento o disminución de la amplitud de la onda resultante cuando se superponen dos o más ondas coherentes.
a) . condiciones de máxima interferencia. Deje que las ondas de dos fuentes coherentes se encuentren en un punto A(Fig. 96).
Desplazamientos de partículas medianas en un punto A, causada por cada onda por separado, escribimos de acuerdo con la ecuación de onda en la forma
dónde y , , 
- amplitudes y fases de oscilaciones causadas por ondas en un punto A, y - distancias entre puntos, 
- la diferencia entre estas distancias o la diferencia en el curso de las olas.
Debido a la diferencia en el curso de las olas, la segunda ola se retrasa en comparación con la primera. Esto significa que la fase de oscilaciones en la primera onda está por delante de la fase de oscilaciones en la segunda onda, es decir . Su diferencia de fase permanece constante en el tiempo.
Al punto A partículas oscilaron con máxima amplitud, las crestas de ambas ondas o sus valles deben alcanzar el punto A simultáneamente en fases idénticas o con una diferencia de fase igual a , donde norte- entero, y - es el período de las funciones seno y coseno,
Aquí, por lo tanto, la condición del máximo de interferencia se puede escribir en la forma
Donde es un entero.
Entonces, cuando se superponen ondas coherentes, la amplitud de la oscilación resultante es máxima si la diferencia en la trayectoria de las ondas es igual a un número entero de longitudes de onda.
B) Condición mínima de interferencia. La amplitud de la oscilación resultante en un punto A es mínimo si la cresta y el valle de dos ondas coherentes llegan a este punto simultáneamente. Esto significa que cien ondas llegarán a este punto en antifase, es decir su diferencia de fase es igual o 
, donde es un número entero.
La condición de mínima interferencia se obtiene realizando transformaciones algebraicas:
Así, la amplitud de las oscilaciones cuando se superponen dos ondas coherentes es mínima si la diferencia en la trayectoria de las ondas es igual a un número impar de medias ondas.
24. Interferencia y ley de conservación de la energía. Cuando las ondas interfieren en lugares de mínima interferencia, la energía de las oscilaciones resultantes es menor que la energía de las ondas que interfieren. Pero en los lugares de máxima interferencia, la energía de las oscilaciones resultantes excede la suma de las energías de las ondas de interferencia tanto como la energía ha disminuido en los lugares de mínima interferencia.
Cuando las ondas interfieren, la energía de las oscilaciones se redistribuye en el espacio, pero se observa estrictamente la ley de conservación.
25.Difracción de onda- el fenómeno de la onda que envuelve el obstáculo, es decir, desviación de la propagación de ondas rectilíneas.
La difracción es especialmente notable cuando el tamaño del obstáculo es menor o comparable a la longitud de onda. Deje que una pantalla con un agujero, cuyo diámetro sea comparable con la longitud de onda (Fig. 97), se ubique en el camino de propagación de una onda plana.
Según el principio de Huygens, cada punto del agujero se convierte en fuente de las mismas ondas. El tamaño del agujero es tan pequeño que todas las fuentes de ondas secundarias están ubicadas tan cerca unas de otras que todas pueden considerarse un punto, una fuente de ondas secundarias.
Si se coloca un obstáculo en el camino de la onda, cuyo tamaño es comparable a la longitud de onda, entonces los bordes, según el principio de Huygens, se convierten en una fuente de ondas secundarias. Pero el tamaño de la brecha es tan pequeño que sus bordes pueden considerarse coincidentes, es decir. el obstáculo mismo es una fuente puntual de ondas secundarias (Fig.97).
El fenómeno de la difracción se observa fácilmente cuando las ondas se propagan sobre la superficie del agua. Cuando la onda alcanza el palo delgado e inmóvil, se convierte en la fuente de las ondas (Fig. 99).
25. Principio de Huygens-Fresnel. Si el tamaño del agujero excede significativamente la longitud de onda, entonces la onda, que pasa a través del agujero, se propaga en línea recta (Fig. 100).
Si el tamaño del obstáculo excede significativamente la longitud de onda, se forma una zona de sombra detrás del obstáculo (Fig. 101). Estos experimentos contradicen el principio de Huygens. El físico francés Fresnel complementó el principio de Huygens con la idea de la coherencia de las ondas secundarias. Cada punto al que ha llegado una onda se convierte en una fuente de las mismas ondas, es decir ondas coherentes secundarias. Por lo tanto, las ondas están ausentes solo en aquellos lugares donde se cumplen las condiciones del mínimo de interferencia para las ondas secundarias.
26. onda polarizada es una onda transversal en la que todas las partículas oscilan en el mismo plano. Si el extremo libre del filamento oscila en un plano, entonces una onda polarizada en un plano se propaga a lo largo del filamento. Si el extremo libre del filamento oscila en diferentes direcciones, la onda que se propaga a lo largo del filamento no está polarizada. Si se coloca un obstáculo en forma de una rendija estrecha en el camino de una onda no polarizada, luego de pasar por la rendija la onda se polariza, porque la ranura deja pasar las oscilaciones del cordón que se producen a lo largo de ella.
Si se coloca una segunda ranura paralela a la primera en el camino de una onda polarizada, entonces la onda pasará libremente a través de ella (Fig. 102).
Si la segunda ranura se coloca en ángulo recto con la primera, la onda dejará de propagarse. Un dispositivo que separa las vibraciones que ocurren en un plano específico se llama polarizador (primera ranura). El dispositivo que determina el plano de polarización se llama analizador.
27.Sonar - este es el proceso de propagación de compresiones y rarefacciones en un medio elástico, por ejemplo, en un gas, líquido o metales. La propagación de compresiones y rarefacciones ocurre como resultado de la colisión de moléculas.
28. Volumen de sonido es la fuerza del impacto de una onda de sonido en el tímpano del oído humano, que es la presión del sonido.
Presión de sonido - Esta es la presión adicional que se produce en un gas o líquido cuando se propaga una onda de sonido. La presión del sonido depende de la amplitud de la oscilación de la fuente de sonido. Si hacemos sonar el diapasón con un ligero golpe, obtenemos un volumen. Pero, si el diapasón se golpea con más fuerza, la amplitud de sus oscilaciones aumentará y sonará más fuerte. Por lo tanto, el volumen del sonido está determinado por la amplitud de la oscilación de la fuente de sonido, es decir amplitud de las fluctuaciones de la presión sonora.
29. tono de sonido determinada por la frecuencia de oscilación. Cuanto mayor sea la frecuencia del sonido, mayor será el tono.
vibraciones sonoras que ocurren de acuerdo con la ley armónica se perciben como un tono musical. Por lo general, el sonido es un sonido complejo, que es una combinación de vibraciones con frecuencias cercanas.
El tono raíz de un sonido complejo es el tono correspondiente a la frecuencia más baja en el conjunto de frecuencias del sonido dado. Los tonos correspondientes a otras frecuencias de un sonido complejo se denominan sobretonos.
30. Timbre de sonido. Los sonidos con el mismo tono básico difieren en el timbre, que está determinado por un conjunto de sobretonos.
Cada persona tiene su propio timbre único. Por lo tanto, siempre podemos distinguir la voz de una persona de la voz de otra persona, incluso si sus tonos fundamentales son los mismos.
31.Ultrasonido. El oído humano percibe sonidos cuyas frecuencias están entre 20 Hz y 20.000 Hz.
Los sonidos con frecuencias superiores a 20.000 Hz se denominan ultrasonidos. Los ultrasonidos se propagan en forma de haces estrechos y se utilizan en la detección de fallas y sonares. El ultrasonido puede determinar la profundidad del fondo marino y detectar defectos en varias partes.
Por ejemplo, si el riel no tiene grietas, entonces el ultrasonido emitido desde un extremo del riel, reflejado desde el otro extremo, dará solo un eco. Si hay grietas, el ultrasonido se reflejará en las grietas y los instrumentos registrarán varios ecos. Con la ayuda de ultrasonido, se detectan submarinos, bancos de peces. El murciélago navega en el espacio con la ayuda de ultrasonidos.
32. infrasonido– sonido con una frecuencia inferior a 20 Hz. Estos sonidos son percibidos por algunos animales. A menudo provienen de fluctuaciones. la corteza terrestre durante los terremotos.
33. efecto Doppler- esta es la dependencia de la frecuencia de la onda percibida en el movimiento de la fuente o receptor de las ondas.
Deje que un bote descanse en la superficie del lago y las olas golpean contra su costado con cierta frecuencia. Si el bote comienza a moverse en contra de la dirección de propagación de las olas, entonces la frecuencia de los impactos de las olas en el costado del bote será mayor. Además, cuanto mayor sea la velocidad del barco, mayor será la frecuencia de los impactos de las olas a bordo. Por el contrario, cuando el barco se mueve en la dirección de propagación de las olas, la frecuencia de los impactos será menor. Estas consideraciones son fáciles de entender a partir de la Fig. 103.
Cuanto mayor sea la velocidad del movimiento que se aproxima, menos tiempo se dedica a pasar la distancia entre las dos crestas más cercanas, es decir, cuanto más corto sea el período de la ola y mayor sea la frecuencia de la ola en relación con el barco.
Si el observador está inmóvil, pero la fuente de ondas se está moviendo, entonces la frecuencia de la onda percibida por el observador depende del movimiento de la fuente.
Deje que una garza camine por un lago poco profundo hacia el observador. Cada vez que ella pone su pie en el agua, las olas salen de ese lugar. Y cada vez que la distancia entre la primera y la última onda disminuye, es decir encajar a una distancia más corta más crestas y depresiones. Por lo tanto, para un observador estacionario hacia el que camina la garza, la frecuencia aumenta. Y viceversa, para un observador inmóvil que está en un punto diametralmente opuesto a una distancia mayor, hay tantas crestas como valles. Por lo tanto, para este observador, la frecuencia disminuye (Fig. 104).
Puedes imaginar lo que son las ondas mecánicas tirando una piedra al agua. Los círculos que aparecen en él y que alternan valles y crestas son un ejemplo de ondas mecánicas. ¿Cuál es su esencia? Las ondas mecánicas son el proceso de propagación de vibraciones en medios elásticos.
Ondas en superficies líquidas
Tales ondas mecánicas existen debido a la influencia de las fuerzas intermoleculares y la gravedad sobre las partículas del líquido. La gente ha estado estudiando este fenómeno durante mucho tiempo. Los más notables son los oceánicos y olas del mar. A medida que aumenta la velocidad del viento, cambian y su altura aumenta. La forma de las propias olas también se vuelve más complicada. En el océano, pueden alcanzar proporciones aterradoras. Uno de los ejemplos más evidentes de fuerza es el tsunami, que arrasa con todo lo que encuentra a su paso.
Energía de las olas del mar y del océano.
Al llegar a la orilla, las olas del mar aumentan con un cambio brusco de profundidad. A veces alcanzan una altura de varios metros. En esos momentos, una masa colosal de agua se transfiere a los obstáculos costeros, que se destruyen rápidamente bajo su influencia. La fuerza del oleaje alcanza a veces valores grandiosos.
ondas elásticas
En mecánica no solo se estudian las oscilaciones en la superficie de un líquido, sino también las llamadas ondas elásticas. Son perturbaciones que se propagan en diferentes medios bajo la acción de fuerzas elásticas en los mismos. Tal perturbación es cualquier desviación de las partículas de un medio dado de la posición de equilibrio. buen ejemplo ondas elásticas es una cuerda larga o un tubo de goma unido a algo por un extremo. Si lo tira con fuerza y luego crea una perturbación en el segundo extremo (no fijo) con un movimiento lateral brusco, puede ver cómo "corre" a lo largo de toda la cuerda hasta el soporte y se refleja hacia atrás.
La perturbación inicial conduce a la aparición de una onda en el medio. Es causada por la acción de algún cuerpo extraño, que en física se llama fuente de la onda. Puede ser la mano de una persona que balancea una cuerda o una piedra arrojada al agua. En el caso de que la acción de la fuente sea de corta duración, a menudo aparece una onda solitaria en el medio. Cuando el “perturbador” hace ondas largas, comienzan a aparecer una tras otra.
Condiciones para la aparición de ondas mecánicas.
Tales oscilaciones no siempre se forman. Condición necesaria pues su aparición es la ocurrencia en el momento de la perturbación del medio de fuerzas que lo impiden, en particular, la elasticidad. Tienden a acercar las partículas vecinas cuando se separan y las alejan unas de otras cuando se acercan. Las fuerzas elásticas, que actúan sobre partículas alejadas de la fuente de perturbación, comienzan a desequilibrarlas. Con el tiempo, todas las partículas del medio están involucradas en un movimiento oscilatorio. La propagación de tales oscilaciones es una onda.
Ondas mecánicas en un medio elástico
En una onda elástica, hay 2 tipos de movimiento simultáneamente: oscilaciones de partículas y propagación de perturbaciones. Una onda longitudinal es una onda mecánica cuyas partículas oscilan a lo largo de la dirección de su propagación. Una onda transversal es una onda cuyas partículas medias oscilan en la dirección de su propagación.
Propiedades de las ondas mecánicas
Las perturbaciones en una onda longitudinal son rarefacción y compresión, y en una onda transversal son cambios (desplazamientos) de algunas capas del medio con respecto a otras. La deformación por compresión va acompañada de la aparición de fuerzas elásticas. En este caso, está asociado a la aparición de fuerzas elásticas exclusivamente en sólidos. En medios gaseosos y líquidos, el desplazamiento de las capas de estos medios no va acompañado de la aparición de la citada fuerza. Debido a sus propiedades, las ondas longitudinales pueden propagarse en cualquier medio y las ondas transversales, solo en las sólidas.
Características de las ondas en la superficie de los líquidos.
Las ondas en la superficie de un líquido no son ni longitudinales ni transversales. Tienen un carácter más complejo, llamado longitudinal-transversal. En este caso, las partículas de fluido se mueven en un círculo oa lo largo de elipses alargadas. las partículas en la superficie del líquido, y especialmente con grandes fluctuaciones, van acompañadas de su movimiento lento pero continuo en la dirección de propagación de la onda. Son estas propiedades de las ondas mecánicas en el agua las que provocan la aparición de varios mariscos en la orilla.
Frecuencia de ondas mecánicas
Si en un medio elástico (líquido, sólido, gaseoso) se excita la vibración de sus partículas, entonces, debido a la interacción entre ellas, se propagará con una velocidad u. Entonces, si un cuerpo oscilante se encuentra en un medio gaseoso o líquido, su movimiento comenzará a transmitirse a todas las partículas adyacentes. Involucrarán a los siguientes en el proceso y así sucesivamente. En este caso, absolutamente todos los puntos del medio comenzarán a oscilar con la misma frecuencia, igual a la frecuencia del cuerpo oscilante. Es la frecuencia de la onda. En otras palabras, esta cantidad se puede caracterizar como puntos en el medio donde se propaga la onda.
Puede que no quede claro de inmediato cómo ocurre este proceso. Las ondas mecánicas están asociadas con la transferencia de energía del movimiento oscilatorio desde su fuente hasta la periferia del medio. Como resultado, surgen las llamadas deformaciones periódicas, que son llevadas por la onda de un punto a otro. En este caso, las propias partículas del medio no se mueven con la onda. Oscilan cerca de su posición de equilibrio. Por eso la difusión onda mecanica no va acompañada del traslado de una sustancia de un lugar a otro. Las ondas mecánicas tienen diferentes frecuencias. Por lo tanto, se dividieron en rangos y crearon una escala especial. La frecuencia se mide en hercios (Hz).
fórmulas básicas
Las ondas mecánicas, cuyas fórmulas de cálculo son bastante sencillas, son un interesante objeto de estudio. La velocidad de onda (υ) es la velocidad de movimiento de su frente (lugar geométrico de todos los puntos a los que ha llegado la oscilación del medio en un momento dado):
donde ρ es la densidad del medio, G es el módulo de elasticidad.
A la hora de calcular, no se debe confundir la velocidad de una onda mecánica en un medio con la velocidad de movimiento de las partículas del medio en el que intervienen. Así, por ejemplo, una onda sonora en el aire se propaga con velocidad media vibraciones de sus moléculas a 10 m/s, mientras que la velocidad de una onda de sonido en condiciones normales es de 330 m/s.
El frente de onda sucede diferentes tipos, los más simples de los cuales son:
Esférico: causado por fluctuaciones en un medio gaseoso o líquido. En este caso, la amplitud de la onda disminuye con la distancia desde la fuente en proporción inversa al cuadrado de la distancia.
Plano: es un plano que es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Ocurre, por ejemplo, en un cilindro de pistón cerrado cuando realiza movimientos oscilatorios. Una onda plana se caracteriza por una amplitud casi constante. Su ligera disminución con la distancia a la fuente de perturbación está asociada al grado de viscosidad del medio gaseoso o líquido.
Longitud de onda
Comprenda la distancia que recorrerá su frente en un tiempo que es igual al período de oscilación de las partículas del medio:
λ = υT = υ/v = 2πυ/ ω,
donde T es el período de oscilación, υ es la velocidad de onda, ω es la frecuencia cíclica, ν es la frecuencia de oscilación de los puntos medios.
Dado que la velocidad de propagación de una onda mecánica depende completamente de las propiedades del medio, su longitud λ cambia durante la transición de un medio a otro. En este caso, la frecuencia de oscilación ν siempre permanece igual. Mecánicos y similares en que durante su propagación se transfiere energía, pero no se transfiere materia.
Con ondas de cualquier origen, bajo ciertas condiciones, se pueden observar cuatro fenómenos enumerados a continuación, que consideraremos utilizando el ejemplo de las ondas sonoras en el aire y las ondas en la superficie del agua.
Reflexión de las olas. Hagamos un experimento con un generador de corriente de frecuencia de audio al que se conecta un altavoz (altavoz), como se muestra en la Fig. "a". Oiremos un silbido. En el otro extremo de la mesa, colocamos un micrófono conectado a un osciloscopio. Dado que en la pantalla aparece una onda sinusoidal de pequeña amplitud, significa que el micrófono percibe un sonido débil.
Coloquemos ahora un tablero encima de la mesa, como se muestra en la Fig. "b". Dado que la amplitud en la pantalla del osciloscopio ha aumentado, significa que el sonido que llega al micrófono se ha vuelto más fuerte. Este y muchos otros experimentos sugieren que Las ondas mecánicas de cualquier origen tienen la capacidad de reflejarse desde la interfaz entre dos medios.
Refracción de ondas. Pasemos a la figura, que muestra las olas corriendo en las aguas poco profundas de la costa (vista superior). El color amarillo grisáceo representa la orilla arenosa y el azul, la parte profunda del mar. Entre ellos hay un banco de arena, aguas poco profundas.
Las ondas que viajan a través de aguas profundas se propagan en la dirección de la flecha roja. En el lugar de encallar, la onda se refracta, es decir, cambia la dirección de propagación. Por lo tanto, la flecha azul que indica la nueva dirección de propagación de la onda se coloca de manera diferente.
Esta y muchas otras observaciones muestran que las ondas mecánicas de cualquier origen pueden refractarse cuando cambian las condiciones de propagación, por ejemplo, en la interfaz entre dos medios.
Difracción de ondas. Traducido del latín "difractus" significa "roto". En física la difracción es la desviación de las ondas de la propagación rectilínea en el mismo medio, lo que lleva a su redondeo de obstáculos.
Ahora observe otro patrón de olas en la superficie del mar (vista desde la orilla). Las olas que corren hacia nosotros desde lejos están oscurecidas por una gran roca a la izquierda, pero al mismo tiempo la rodean parcialmente. La roca más pequeña de la derecha no es en absoluto un obstáculo para las olas: la rodean por completo, extendiéndose en la misma dirección.
Las experiencias demuestran que la difracción se manifiesta más claramente si la longitud de onda incidente más tamaños obstáculos Detrás de él, la ola se extiende como si no hubiera ningún obstáculo.
Interferencia de ondas. Hemos considerado los fenómenos asociados con la propagación de una sola onda: reflexión, refracción y difracción. Considere ahora la propagación con la superposición de dos o más ondas entre sí: fenómeno de interferencia(del latín "inter" - mutuamente y "ferio" - golpeo). Estudiemos este fenómeno experimentalmente.
Conecte dos altavoces conectados en paralelo al generador de corriente de frecuencia de audio. El receptor de sonido, como en el primer experimento, será un micrófono conectado a un osciloscopio.
Comencemos moviendo el micrófono hacia la derecha. El osciloscopio mostrará que el sonido se vuelve más y más débil, a pesar de que el micrófono se aleja de los altavoces. Trae el micrófono de vuelta linea intermedia entre los parlantes, y luego lo moveremos hacia la izquierda, alejándonos nuevamente de los parlantes. El osciloscopio nos mostrará nuevamente la atenuación, luego la amplificación del sonido.
Este y muchos otros experimentos demuestran que en el espacio donde se propagan varias ondas, su interferencia puede dar lugar a la aparición de regiones alternas con amplificación y atenuación de las oscilaciones.
ondas mecanicas
Si se excitan oscilaciones de partículas en cualquier lugar de un medio sólido, líquido o gaseoso, entonces debido a la interacción de los átomos y moléculas del medio, las oscilaciones comienzan a transmitirse de un punto a otro con una velocidad finita. El proceso de propagación de oscilaciones en un medio se denomina ola .
ondas mecanicas son de diferentes tipos. Si en una onda las partículas del medio experimentan un desplazamiento en una dirección perpendicular a la dirección de propagación, entonces la onda se llama transverso . Un ejemplo de una onda de este tipo pueden ser las ondas que corren a lo largo de una banda elástica estirada (Fig. 2.6.1) oa lo largo de una cuerda.
Si el desplazamiento de las partículas del medio ocurre en la dirección de propagación de la onda, entonces la onda se llama longitudinal . Las ondas en una barra elástica (Fig. 2.6.2) o las ondas de sonido en un gas son ejemplos de tales ondas.
Las ondas en la superficie del líquido tienen componentes transversales y longitudinales.
Tanto en ondas transversales como longitudinales, no hay transferencia de materia en la dirección de propagación de la onda. En el proceso de propagación, las partículas del medio solo oscilan alrededor de las posiciones de equilibrio. Sin embargo, las ondas transportan la energía de las oscilaciones de un punto del medio a otro.
característica distintiva ondas mecánicas es que se propagan en medios materiales (sólidos, líquidos o gaseosos). Hay ondas que también pueden propagarse en el vacío (por ejemplo, ondas de luz). Para las ondas mecánicas, se requiere un medio que tenga la capacidad de almacenar energía cinética y potencial. Por lo tanto, el medio ambiente debe tener propiedades inertes y elásticas. En entornos reales, estas propiedades se distribuyen por todo el volumen. Así, por ejemplo, cualquier elemento pequeño cuerpo solido tiene masa y elasticidad. en lo mas simple modelo unidimensional un cuerpo sólido se puede representar como una colección de bolas y resortes (Fig. 2.6.3).
Las ondas mecánicas longitudinales pueden propagarse en cualquier medio: sólido, líquido y gaseoso.
Si en un modelo unidimensional de un cuerpo rígido una o más bolas se desplazan en una dirección perpendicular a la cadena, entonces ocurrirá una deformación cortar. Los resortes deformados bajo tal desplazamiento tenderán a devolver las partículas desplazadas a la posición de equilibrio. En este caso, las fuerzas elásticas actuarán sobre las partículas no desplazadas más cercanas, tendiendo a desviarlas de la posición de equilibrio. Como resultado, una onda transversal correrá a lo largo de la cadena.
En líquidos y gases, no se produce deformación por cizallamiento elástico. Si una capa de líquido o gas se desplaza cierta distancia con respecto a la capa vecina, entonces no aparecerán fuerzas tangenciales en el límite entre las capas. Las fuerzas que actúan en el límite de un líquido y un sólido, así como las fuerzas entre las capas adyacentes de un fluido, siempre se dirigen a lo largo de la normal al límite: estas son fuerzas de presión. Lo mismo se aplica a los medios gaseosos. Por eso, las ondas transversales no pueden existir en medios líquidos o gaseosos.
De considerable interés para la práctica son simples ondas armónicas o sinusoidales . se caracterizan amplitudA vibraciones de partículas, frecuenciaF y longitud de ondaλ. Las ondas sinusoidales se propagan en medios homogéneos con algunos velocidad constante υ.
Parcialidad y (X, t) partículas del medio desde la posición de equilibrio en una onda sinusoidal depende de la coordenada X en el eje BUEY, a lo largo del cual se propaga la onda, y desde el tiempo t consuegro.