MODUŁ 15 · BLOK IV: FALE MECHANICZNE I AKUSTYKA

Dźwięk, echo i niesłyszalne fale: ultradźwięki i infradźwięki

PPrezentacja dla nauczyciela

W tym module zajmiemy się najpowszechniejszą i najważniejszą dla nas falą mechaniczną — falą dźwiękową. Odkryjemy, dlaczego dźwięk potrzebuje materii do podróżowania i w kosmosie panuje głucha cisza, dlaczego w wodzie i stali biegnie o wiele szybciej niż w powietrzu, jak obliczyć odległość do burzy ze stoperem, czym różni się echo od pogłosu oraz jak echosondy i nietoperze wykorzystują ultradźwięki do widzenia w ciemnościach za pomocą wzoru $d = \frac{v \cdot t}{2}$.

1. Czym jest dźwięk i dlaczego nie ma go w próżni?

Wszystko, co słyszysz wokół siebie — głos kolegi, śpiew ptaków, szum wiatru czy ulubioną piosenkę w słuchawkach — to w rzeczywistości fala mechaniczna rozchodząca się w powietrzu.

Dźwięk powstaje wtedy, gdy jakieś ciało zostaje wprawione w drgania: struna gitary, membrana głośnika, struny głosowe w krtani czy widełki kamertonu. Drgające ciało na przemian popycha sąsiadujące cząsteczki powietrza i cofa się, tworząc wędrujące w przestrzeni strefy zagęszczenia i rozrzedzenia powietrza. Dźwięk w gazach i cieczach jest zatem falą podłużną.

Dźwięk NIE ROZCHODZI SIĘ W PRÓŻNI!
Fala dźwiękowa to drgania cząsteczek materii przekazywane z jednej na drugą. Jeśli nie ma cząsteczek — nie ma czego wprawić w drgania!
• Gdy w laboratorium umieścimy dzwoniący budzik pod szklanym kloszem i za pomocą pompy wypompujemy całe powietrze (stworzymy próżnię), młoteczek budzika nadal energicznie uderza w dzwonki, ale z zewnątrz nie słychać absolutnie nic!
• W przestrzeni kosmicznej (gdzie panuje niemal idealna próżnia) żaden wybuch, przelatujący statek czy silnik rakietowy nie wydają żadnego dźwięku. Słynne filmowe eksploracje w próżni z hukiem to wyłącznie efekt artystyczny hollywoodzkich twórców!

1. Jakiego rodzaju falą jest dźwięk rozchodzący się w powietrzu?

Falą podłużną, z wędrującymi zagęszczeniami i rozrzedzeniami powietrza Falą poprzeczną, z grzbietami i dolinami w powietrzu Falą elektromagnetyczną, która nie potrzebuje ośrodka Strumieniem cząsteczek powietrza lecących od źródła do ucha

2. Dzwoniący budzik umieszczono pod kloszem, z którego wypompowano powietrze. Co zaobserwujesz?

Budzik przestanie dzwonić, bo w próżni nie może drgać Młoteczek nadal uderza, ale dźwięku nie słychać Dźwięk będzie cichszy, ale wciąż wyraźnie słyszalny Usłyszysz dźwięk wyższy, bo w próżni fala przyspiesza

3. Dlaczego w kosmosie nie słychać wybuchów statków?

Bo w kosmosie panuje zbyt niska temperatura dla fal dźwiękowych Bo dźwięk w kosmosie zamienia się w światło Bo w próżni nie ma cząsteczek, które przekazałyby drgania Bo odległości w kosmosie są większe niż zasięg każdego dźwięku

2. Prędkość dźwięku w różnych ośrodkach

Jak dowiedzieliśmy się w module 14, prędkość fali zależy wyłącznie od właściwości fizycznych ośrodka, w którym się porusza. W przypadku dźwięku kluczowe są dwa czynniki: jak blisko siebie znajdują się cząsteczki oraz jak sprężyste są wiązania między nimi.

Zasada gęstszego upakowania:
Im ciaśniej ułożone są cząsteczki w materiale, tym szybciej jedna cząsteczka może przekazać impuls zderzenia swojej sąsiadce:

1. W gazach (powietrze w temp. $20^\circ\text{C}$): cząsteczki są od siebie daleko i rzadko się zderzają.
$\implies v_{\text{powietrze}} \approx \mathbf{340\text{ m/s}}$ (ok. $1224\text{ km/h}$).

2. W cieczach (woda): cząsteczki stykają się ze sobą bezpośrednio, więc przekazują drgania znacznie sprawniej.
$\implies v_{\text{woda}} \approx \mathbf{1500\text{ m/s}}$ (ponad 4 razy szybciej niż w powietrzu!).

3. W ciałach stałych (stal, żelazo, granit): atomy są mocno powiązane sztywną siecią krystaliczną.
$\implies v_{\text{stal}} \approx \mathbf{5000\text{--}6000\text{ m/s}}$ (aż 15–18 razy szybciej niż w powietrzu!).

Im sztywniejszy i gęściej upakowany ośrodek, tym sprawniej cząstki przekazują energię drgań kolejnym warstwom.

Ciekawostka historyczna: Dawniej traperzy i rdzenni mieszkańcy Ameryki przykładali ucho do szyn kolejowych lub do ziemi. Ponieważ dźwięk w stali i w zwartej ziemi biegnie kilkanaście razy szybciej niż w powietrzu (oraz ulega znacznie mniejszemu rozproszeniu), stukot kół nadjeżdżającego pociągu lub tętent kopyt stada bizonów można było usłyszeć z odległości wielu kilometrów, zanim dotarł on przez powietrze!

Prosta reguła burzy — jak obliczyć odległość pioruna?

Podczas burzy wyładowanie atmosferyczne (błyskawica) wytwarza jednocześnie oślepiający błysk światła oraz potężną falę dźwiękową (grzmot):

Światło porusza się z prędkością $c \approx 300\,000\text{ km/s}$ — odległość kilku kilometrów pokonuje w ułamku mikrosekundy, czyli widzimy błysk natychmiast.
Dźwięk porusza się w powietrzu z prędkością zaledwie $v \approx 340\text{ m/s}$. Na przebycie każdego kilometra ($1000\text{ m}$) dźwięk potrzebuje: \[ t = \frac{s}{v} = \frac{1000\text{ m}}{340\text{ m/s}} \approx 2{,}94\text{ s} \approx \mathbf{3\text{ sekundy}} \]

Praktyczna reguła 3 sekund:
Gdy zobaczysz błyskawicę, zacznij liczyć sekundy (np. za pomocą stopera w telefonie lub miarowo: „sto dwadzieścia jeden, sto dwadzieścia dwa...”) aż do usłyszenia grzmotu.
Podziel liczbę sekund przez 3 — otrzymasz odległość burzy w kilometrach: \[ d \approx \frac{t_{\text{sekund}}}{3}\text{ [km]} \]
• Jeśli usłyszysz grzmot po $3\text{ sekundach}$ $\implies$ piorun uderzył około $1\text{ km}$ od Ciebie.
• Jeśli usłyszysz grzmot po $6\text{ sekundach}$ $\implies$ piorun uderzył około $2\text{ km}$ od Ciebie.
• Jeśli grzmot następuje w tej samej sekundzie co błysk $\implies$ burza jest bezpośrednio nad Tobą!

4. W którym ośrodku dźwięk biegnie najszybciej?

W powietrzu o temperaturze $20^\circ\text{C}$ ($\approx 340\text{ m/s}$) W wodzie ($\approx 1500\text{ m/s}$) W rozrzedzonym gazie w wysokiej atmosferze W stali ($\approx 5000$–$6000\text{ m/s}$)

5. Dlaczego dźwięk w wodzie biegnie szybciej niż w powietrzu?

Bo cząsteczki wody stykają się bezpośrednio i sprawniej przekazują drgania Bo woda jest zimniejsza od powietrza i drgania w niej nie gasną Bo w wodzie fala dźwiękowa jest poprzeczna, a poprzeczne są szybsze Bo woda jest cięższa, więc fala musi szybciej uciekać przed ciężarem

6. Widzisz błyskawicę, a grzmot słyszysz po $6\text{ s}$. Jak daleko uderzył piorun?

Około $18\text{ km}$ Około $2\text{ km}$ Około $0{,}5\text{ km}$ Około $6\text{ km}$

3. Odbicie dźwięku: Echo a Pogłos

Gdy fala dźwiękowa napotyka na swojej drodze dużą i gładką przeszkodę (np. urwistą ścianę skalną, wysoki budynek czy betonową ścianę hali), ulega odbiciu — fala powraca do ośrodka, z którego nadeszła.

To, jak ludzki mózg odbierze powracający dźwięk, zależy od jednej kluczowej cechy naszego narządu słuchu: bezwładności ucha ludzkiego.

Bezwładność ucha ludzkiego ($0{,}1\text{ sekundy}$):
Ludzki mózg jest w stanie rozróżnić dwa dźwięki jako odrębne impulsy tylko wtedy, gdy dzieli je przerwa czasowa co najmniej $0{,}1\text{ sekundy}$ ($100\text{ ms}$).
Jeśli odbity dźwięk dotrze do ucha szybciej niż po $0{,}1\text{ s}$, mózg zleje go z dźwiękiem pierwotnym w jedno przedłużone brzmienie!

Zjawisko	Opóźnienie odbicia ($t$)	Odległość od ściany ($d$)	Wrażenie słuchowe i przykłady
ECHO	$t \ge 0{,}1\text{ s}$	$d \ge 17\text{ m}$	Słyszysz wyraźne, powtórzone słowo po chwili przerwy. Występuje w górach przed ścianą skalną lub na leśnej polanie przed ścianą lasu.
POGŁOS	$t < 0{,}1\text{ s}$	$d < 17\text{ m}$	Dźwięk odbity zlewa się z pierwotnym — głos wydaje się nienaturalnie przeciągły, „pusty” i dudniący. Występuje w pustym pokoju przed wniesieniem mebli, na klatkach schodowych, w kościołach i salach gimnastycznych.

Dlaczego graniczna odległość dla echa wynosi dokładnie 17 metrów?

Wyprowadźmy tę słynną odległość krok po kroku:

Prędkość dźwięku w powietrzu wynosi $v = 340\text{ m/s}$.
Minimalny czas potrzebny, by ucho rozpoznało echo, wynosi $t = 0{,}1\text{ s}$.
W czasie $0{,}1\text{ s}$ fala dźwiękowa pokonuje w powietrzu drogę: \[ s = v \cdot t = 340\text{ m/s} \cdot 0{,}1\text{ s} = \mathbf{34\text{ metry}} \]
Pamiętaj: fala musi przebyć drogę do ściany i z powrotem ($s = 2d$). Zatem odległość do ściany wynosi: \[ d = \frac{s}{2} = \frac{34\text{ m}}{2} = \mathbf{17\text{ metrów}} \]

Jak walczymy z niepożądanym pogłosem?
W kinach, teatrach, studiach nagrań i salach koncertowych pogłos zniekształca mowę i muzykę. Aby go wyeliminować, stosuje się materiały dźwiękochłonne (panele akustyczne z porowatej gąbki, grube kotary, wykładziny, specjalne perforowane płyty ścienne), które pochłaniają i rozpraszają energię fali, zamiast ją odbijać.

7. Jaka jest bezwładność ucha ludzkiego, czyli minimalna przerwa potrzebna do usłyszenia dwóch osobnych dźwięków?

$0{,}001\text{ s}$ $1\text{ s}$ $0{,}1\text{ s}$ $3\text{ s}$

8. Skąd bierze się graniczna odległość $17\text{ m}$ dla wyraźnego echa?

Bo tyle wynosi droga dźwięku w ciągu $0{,}1\text{ s}$ Bo dźwięk odbija się tylko od przeszkód wyższych niż $17\text{ m}$ Bo $17\text{ m}$ to największa odległość, na jaką dociera głos człowieka Bo w $0{,}1\text{ s}$ dźwięk pokonuje $34\text{ m}$ tam i z powrotem, czyli $17\text{ m}$ w jedną stronę

9. Po co w kinach i studiach nagrań montuje się panele z porowatej gąbki oraz grube kotary?

Aby pochłaniały i rozpraszały energię fali, ograniczając pogłos Aby odbijały dźwięk pod większym kątem i wzmacniały echo Aby przyspieszały dźwięk, dzięki czemu dociera do widza szybciej Aby zamieniały dźwięk słyszalny w ultradźwięki

4. Echosonda i sonar: wzór $d = \frac{v \cdot t}{2}$

Zjawisko odbicia fali wykorzystują ludzie i zwierzęta do precyzyjnego pomiaru odległości i badania głębin. Urządzenie, które wysyła impuls dźwiękowy i mierzy czas powrotu echa, to echosonda (w żegludze) lub sonar (w wojskowości i oceanografii).

Najczęstszy błąd na sprawdzianach: NIE ZAPOMNIJ O DZIELENIU PRZEZ 2!
Stoper echosondy mierzy czas $t$ od wysłania sygnału do powrotu echa.
W tym czasie fala dźwiękowa pokonuje drogę: do dna i z powrotem, czyli dwukrotność głębokości ($s = 2d$).
Dlatego głębokość morza wynosi: \[ d = \frac{v \cdot t}{2} \] Jeśli zapomnisz podzielić przez 2, Twój wynik głębokości będzie dwa razy za duży!

10. Dlaczego przy pomiarze echosondą dzielimy iloczyn $v \cdot t$ przez $2$?

Bo sygnał wysyłany jest dwoma różnymi częstotliwościami Bo impuls pokonuje drogę do dna i z powrotem, czyli $2d$ Bo prędkość dźwięku w wodzie jest dwa razy większa niż w powietrzu Bo echo jest zawsze dwa razy cichsze od sygnału wysłanego

11. Echosonda wysyła impuls w wodzie ($v = 1500\text{ m/s}$) i odbiera echo po $0{,}4\text{ s}$. Jaka jest głębokość?

$600\text{ m}$ $150\text{ m}$ $300\text{ m}$ $1200\text{ m}$

12. Co się stanie, jeśli przy obliczaniu głębokości zapomnisz podzielić przez $2$?

Wynik będzie dwa razy za mały Wynik będzie cztery razy za duży Wynik nie zmieni się, bo głębokość nie zależy od drogi fali Wynik będzie dwa razy za duży

Animacja interaktywna: Wirtualna echosonda morska

Przetestuj działanie echosondy ultradźwiękowej na statku badawczym. Wybierz głębokość dna morskiego, wciśnij „Wyślij impuls PING” i obserwuj, jak fala pędzi przez wodę z prędkością $1500\text{ m/s}$, odbija się od dna i wraca do odbiornika:

Ośrodek:

Ustawiona głębokość ($d$): 450 m

Zadanie eksperymentalne z symulatorem:
1. Ustaw suwakiem głębokość na $600\text{ m}$ w wodzie morskiej ($v = 1500\text{ m/s}$).
2. Przed wysłaniem impulsu przewidź w pamięci czas $t$: fala w obie strony pokona $2 \cdot 600\text{ m} = 1200\text{ m}$. Czas wyniesie $t = \frac{1200}{1500} = 0{,}8\text{ s}$.
3. Wciśnij przycisk „Wyślij impuls PING” i sprawdź, czy stoper echosondy zatrzyma się dokładnie na $0{,}80\text{ s}$!

13. W symulatorze ustawiasz głębokość $600\text{ m}$, a ośrodkiem jest woda morska ($v = 1500\text{ m/s}$). Po jakim czasie wróci echo?

$0{,}8\text{ s}$ $0{,}4\text{ s}$ $1{,}6\text{ s}$ $4\text{ s}$

14. Przełączasz ośrodek z wody morskiej na powietrze ($v = 340\text{ m/s}$), nie zmieniając głębokości. Jak zmieni się czas powrotu echa?

Skróci się, bo w powietrzu fala jest krótsza Wydłuży się, bo mniejsza prędkość oznacza dłuższą podróż Nie zmieni się, bo głębokość pozostaje ta sama Skróci się około czterokrotnie, bo powietrze jest rzadsze

15. Zwiększasz suwakiem ustawioną głębokość przy stałym ośrodku. Jak zachowuje się zmierzony czas?

Maleje proporcjonalnie do głębokości Nie zmienia się, bo echosonda mierzy tylko prędkość Rośnie proporcjonalnie do głębokości Rośnie, ale tylko do głębokości $450\text{ m}$, potem się ustala

5. Podział fal dźwiękowych: Infradźwięki, Dźwięki słyszalne, Ultradźwięki

Ludzkie ucho jest wspaniałym instrumentem, ale rejestruje fale mechaniczne tylko w bardzo określonym przedziale częstotliwości. Wszystko, co drga wolniej lub szybciej, istnieje w przyrodzie, ale jest dla nas zupełnie niesłyszalne!

Infradźwięki ($f < 20\text{ Hz}$): dźwięki o bardzo małej częstotliwości i olbrzymiej długości fali ($\lambda > 17\text{ m}$). Ze względu na wielką długość fali niemal nie ulegają pochłanianiu przez powietrze i mogą rozchodzić się na setki kilometrów. Słonie porozumiewają się nimi przez sawannę tupiąc w ziemię, a wieloryby przez całe oceany. Człowiek ich nie słyszy, ale silne infradźwięki (np. od potężnych wiatraków czy silników okrętowych) mogą wywoływać niepokój, lęk i mdłości, rezonując z narządami wewnętrznymi.
Dźwięki słyszalne ($20\text{ Hz} \le f \le 20\,000\text{ Hz}$): pasmo odbierane przez ludzkie ucho. Wraz z wiekiem oraz pod wpływem głośnego słuchania muzyki na słuchawkach górny limit słyszalności stopniowo spada (dorośli często nie słyszą już dźwięków powyżej $14\text{--}15\text{ kHz}$).
Ultradźwięki ($f > 20\,000\text{ Hz}$): dźwięki o bardzo dużej częstotliwości i mikroskopijnej długości fali ($\lambda < 1{,}7\text{ cm}$). Ponieważ fala jest tak krótka, odbija się precyzyjnie nawet od drobnych przeszkód i nie ulega ugięciu (dyfrakcji).
• Echolokacja zwierząt: nietoperze wysyłają pisk ultradźwiękowy o częstotliwości do $100\text{ kHz}$ i na podstawie echa „widzą” w locie nawet pojedynczego komara w całkowitej ciemności!
• Medycyna (badanie USG): głowica emituje nieszkodliwe fale ultradźwiękowe w głąb ciała pacjenta, a komputer na podstawie odbić od tkanek i narządów tworzy dokładny obraz wnętrza ciała (np. rozwijającego się dziecka w brzuchu mamy).

16. Jakie są granice pasma słyszalnego człowieka?

Od $0\text{ Hz}$ do $20\,000\text{ Hz}$ Od $20\text{ Hz}$ do $2000\text{ Hz}$ Od $20\text{ Hz}$ do $20\,000\text{ kHz}$ Od $20\text{ Hz}$ do $20\,000\text{ Hz}$

17. Czym charakteryzują się infradźwięki ($f < 20\text{ Hz}$)?

Mają wielką długość fali, słabo giną w powietrzu i rozchodzą się na setki kilometrów Mają mikroskopijną długość fali i precyzyjnie odbijają się od drobnych przeszkód Są słyszalne dla człowieka, ale tylko przy dużym natężeniu Rozchodzą się wyłącznie w ciałach stałych, bo w powietrzu nie istnieją

18. Dlaczego ultradźwięki dobrze nadają się do USG i echolokacji?

Bo są słyszalne dla człowieka i łatwo je kontrolować słuchem Bo mają bardzo krótką falę, która precyzyjnie odbija się od drobnych struktur Bo rozchodzą się w próżni, w której pracują aparaty medyczne Bo mają największą amplitudę ze wszystkich fal dźwiękowych

Przykłady obliczeniowe krok po kroku

Przykład 1 — głębokość ławicy ryb wykrytej sonarem

Treść: Kuter rybacki wysłał impuls ultradźwiękowy o prędkości $v = 1500\text{ m/s}$ pionowo w dół morza. Po upływie czasu $t = 0{,}24\text{ sekundy}$ odbiornik zarejestrował echo odbite od dużej ławicy dorszy. Na jakiej głębokości płynie ta ławica ryb?

Rozwiązanie krok po kroku:

Wypisujemy dane:
• Czas biegu sygnału tam i z powrotem: $t = 0{,}24\text{ s}$.
• Prędkość fali w wodzie: $v = 1500\text{ m/s}$.
• Szukana: głębokość ławicy $d$.
Stosujemy wzór na odległość echosondy (z uwzględnieniem drogi w obie strony): \[ d = \frac{v \cdot t}{2} \]
Podstawiamy dane liczbowe: \[ d = \frac{1500\text{ m/s} \cdot 0{,}24\text{ s}}{2} = \frac{360\text{ m}}{2} = \mathbf{180\text{ metrów}} \]

Odpowiedź: Ławica ryb znajduje się na głębokości $180\text{ metrów}$.

Przykład 2 — odległość do burzy

Treść: Podczas letniej burzy Ania zaobserwowała błyskawicę, a grzmot usłyszała dokładnie po $7{,}5\text{ sekundy}$. Wiedząc, że prędkość dźwięku w powietrzu wynosi $v = 340\text{ m/s}$, a prędkość światła jest tak duża, że błysk widzimy natychmiast, oblicz odległość Ani od miejsca uderzenia pioruna.

Rozwiązanie krok po kroku:

Dane: $t = 7{,}5\text{ s}$, $v = 340\text{ m/s}$. Szukana odległość: $s$.
Zauważ: w tym zadaniu dźwięk biegnie tylko w jedną stronę (od pioruna do ucha Ani, to nie jest echo!). Nie dzielimy więc przez 2: \[ s = v \cdot t \]
Podstawiamy wartości: \[ s = 340\text{ m/s} \cdot 7{,}5\text{ s} = \mathbf{2550\text{ m}} = \mathbf{2{,}55\text{ km}} \]
Sprawdzamy regułą 3 sekund: $\frac{7{,}5}{3} = 2{,}5\text{ km}$ — wynik jest idealnie zgodny!

Odpowiedź: Piorun uderzył w odległości $2{,}55\text{ km}$ od Ani.

19. Sonar kutra ($v = 1500\text{ m/s}$) odebrał echo po $0{,}24\text{ s}$. Na jakiej głębokości jest ławica ryb?

$360\text{ m}$ $90\text{ m}$ $180\text{ m}$ $720\text{ m}$

20. Ania usłyszała grzmot $7{,}5\text{ s}$ po błysku. Jak daleko uderzył piorun ($v = 340\text{ m/s}$)?

$1275\text{ m}$ $3400\text{ m}$ $7{,}5\text{ km}$ $2550\text{ m}$, czyli około $2{,}55\text{ km}$

21. Dlaczego w zadaniu z błyskawicą nie dzielimy wyniku przez $2$, a przy echosondzie dzielimy?

Bo grzmot biegnie od pioruna do ucha w jedną stronę, a impuls echosondy tam i z powrotem Bo światło porusza się szybciej niż dźwięk i trzeba to skorygować Bo echosonda mierzy czas w milisekundach, a stoper w sekundach Bo w powietrzu dźwięk odbija się od chmur, a w wodzie nie

Zadania do samodzielnego rozwiązania

Zadanie transferowe — wybuchy w Gwiezdnych Wojnach

Nie liczy się do paska postępu. Odpowiedź znajdziesz w rozwijanym polu poniżej.

Sytuacja fizyczna: W wielu widowiskowych filmach science-fiction, podczas bitew w kosmosie, eksplozji Gwiazdy Śmierci towarzyszy potężny, basowy grzmot i huk wstrząsający głośnikami w kinie.

Polecenie:

Czy astronauta znajdujący się w skafandrze kilkaset metrów od wybuchającego statku w próżni kosmicznej usłyszałby ten wybuch? Odpowiedź uzasadnij fizycznie.
Czy astronauta ten zobaczyłby błysk światła z eksplozji? Czym różni się fala świetlna od fali dźwiękowej pod względem konieczności istnienia ośrodka?

Rozwiązanie i wyjaśnienie fizyczne

Dźwięk wybuchu: Astronauta nie usłyszałby absolutnie nic. Dźwięk jest falą mechaniczną polegającą na drganiach cząsteczek materii. W przestrzeni kosmicznej panuje próżnia (brak cząsteczek powietrza lub gazu), więc energia mechaniczna wybuchu nie ma nośnika, który mógłby przenieść drgania do kasku astronauty.
Błysk światła: Tak, astronauta zobaczyłby oślepiający błysk natychmiast. Światło nie jest falą mechaniczną, lecz falą elektromagnetyczną (zaburzeniem pól elektrycznego i magnetycznego), która nie potrzebuje żadnego materialnego ośrodka i doskonale rozchodzi się w próżni kosmicznej (dzięki temu dociera do Ziemi światło ze Słońca i odległych gwiazd).

22. Statek wybucha w próżni kilkaset metrów od astronauty. Czy usłyszy on wybuch?

Tak, bo dźwięk w kosmosie jest cichszy, ale dociera Nie, bo w próżni nie ma cząsteczek, które przeniosłyby drgania Tak, bo fala dźwiękowa rozchodzi się w każdym ośrodku, także w pustce Nie, bo skafander astronauty tłumi wszystkie dźwięki z zewnątrz

23. Czy astronauta zobaczy błysk eksplozji?

Nie, bo światło również potrzebuje ośrodka materialnego Tak, ale dopiero po kilku sekundach, bo światło w próżni zwalnia Tak, natychmiast, bo światło jest falą elektromagnetyczną i rozchodzi się w próżni Nie, bo w kosmosie nie ma atmosfery, która rozprasza światło

24. Dlaczego powietrze w skafandrze astronauty nie wystarczy, by usłyszał on wybuch?

Bo powietrze w skafandrze ma zbyt niskie ciśnienie dla fal dźwiękowych Bo skafander jest wykonany z materiału całkowicie pochłaniającego drgania Bo dźwięk w małej objętości zawsze zamienia się w ciepło Bo fala musi najpierw przejść przez próżnię między statkiem a skafandrem

Quiz wiedzy — Moduł 15

Podsumowanie modułu

Zapamiętaj

Dźwięk to fala mechaniczna: wymaga cząsteczek materii do rozchodzenia się. W próżni nie ma dźwięku!
Prędkość dźwięku zależy od stanu skupienia: najmniejsza w gazach ($340\text{ m/s}$), większa w cieczach ($1500\text{ m/s}$), największa w ciałach stałych ($5000\text{--}6000\text{ m/s}$).
Reguła burzy: $d \approx t / 3\text{ [km]}$ — każde 3 sekundy między błyskiem a grzmotem to około $1\text{ km}$ odległości.
Echo a pogłos: echo wymaga $t \ge 0{,}1\text{ s}$ ($d \ge 17\text{ m}$ w powietrzu). Poniżej $17\text{ m}$ dźwięk powraca za wcześnie i zlewa się w pogłos.
Wzór echosondy: $d = \frac{v \cdot t}{2}$ — fala przebywa drogę tam i z powrotem, pamiętaj o dzieleniu przez 2!
Pasmo słyszalne: $20\text{ Hz} - 20\text{ kHz}$. Poniżej $20\text{ Hz}$ to infradźwięki, powyżej $20\text{ kHz}$ to ultradźwięki (USG, echolokacja nietoperzy).

Uważaj na błąd

W zadaniach ze stoperem burzy nie dzielisz przez 2, bo dźwięk leci prosto od pioruna do Twojego ucha. Dzielisz przez 2 tylko wtedy, gdy mowa o echu lub echosondzie, gdzie impuls biegnie do ściany i z powrotem!

Sprawdź, czy rozumiesz

Dlaczego delfiny w oceanie do echolokacji i porozumiewania się używają ultradźwięków, a słonie na lądzie infradźwięków?

Odpowiedź

Ultradźwięki mają bardzo małą długość fali, co pozwala delfinom precyzyjnie „namierzać” małe ryby i przeszkody pod wodą. Infradźwięki natomiast mają potężną długość fali, dzięki czemu niemal nie ulegają pochłanianiu przez powietrze i roślinność, co pozwala słoniom porozumiewać się na odległość kilkunastu kilometrów!