Moduł 15 kursu Ruch drgający i fale: Prawa falowe w akustyce: prędkość dźwięku w różnych ośrodkach, odbicie fali (echo i pogłos) oraz podział na infradźwięki, dźwięki słyszalne i ultradźwięki.
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…
Jakiego rodzaju falą jest dźwięk rozchodzący się w powietrzu?
Poprawna: a) Drgająca membrana zagęszcza i rozrzedza powietrze wzdłuż kierunku biegu fali, więc dźwięk jest falą podłużną. Grzbiety i doliny dotyczą fali poprzecznej, a nie drgań gazu.
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…
W którym ośrodku dźwięk biegnie najszybciej?
Poprawna: d) W ciałach stałych atomy są powiązane sztywną siecią, więc impuls biegnie najszybciej — w stali $15$–$18$ razy szybciej niż w powietrzu. Woda jest szybsza od powietrza, ale znacznie wolniejsza od stali.
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.
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.
| 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. |
Jaka jest bezwładność ucha ludzkiego, czyli minimalna przerwa potrzebna do usłyszenia dwóch osobnych dźwięków?
Poprawna: c) Mózg rozdziela dwa impulsy dopiero przy przerwie co najmniej $0{,}1\text{ s}$. Krótsza przerwa sprawia, że odbicie zlewa się z dźwiękiem pierwotnym w pogłos.
Dlaczego przy pomiarze echosondą dzielimy iloczyn $v \cdot t$ przez $2$?
Poprawna: b) Stoper mierzy czas całej podróży tam i z powrotem, więc $v \cdot t = 2d$. Bez podziału przez dwa otrzymalibyśmy głębokość dwa razy za dużą.
W symulatorze ustawiasz głębokość $600\text{ m}$, a ośrodkiem jest woda morska ($v = 1500\text{ m/s}$). Po jakim czasie wróci echo?
Poprawna: a) Impuls pokonuje $2 \cdot 600 = 1200\text{ m}$, więc $t = 1200/1500 = 0{,}8\text{ s}$. Czas $0{,}4\text{ s}$ odpowiadałby drodze tylko w jedną stronę.
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!
Jakie są granice pasma słyszalnego człowieka?
Poprawna: d) Ucho człowieka odbiera fale od $20\text{ Hz}$ do około $20\text{ kHz}$. Dolna granica nie wynosi zera, bo bardzo wolne drgania to już infradźwięki.
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.
Sonar kutra ($v = 1500\text{ m/s}$) odebrał echo po $0{,}24\text{ s}$. Na jakiej głębokości jest ławica ryb?
Poprawna: c) $d = \frac{1500 \cdot 0{,}24}{2} = 180\text{ m}$. Wynik $360\text{ m}$ to cała droga fali, a nie głębokość.
Nie liczy się do paska postępu. Odpowiedź znajdziesz w rozwijanym polu poniżej.
Statek wybucha w próżni kilkaset metrów od astronauty. Czy usłyszy on wybuch?
Poprawna: b) Dźwięk jest falą mechaniczną i potrzebuje materii jako nośnika; w próżni energia wybuchu nie ma czego wprawić w drgania. Tłumienie przez skafander ma znaczenie tylko wtedy, gdy dźwięk w ogóle do niego dotrze.