Fale mechaniczne w klasie 8

Fala mechaniczna to zaburzenie, które rozchodzi się w jakimś ośrodku: w powietrzu, wodzie, sznurku albo metalu. Żeby fala mogła się rozchodzić, potrzebne są cząsteczki materii, które przekazują sobie drgania.

Najważniejsze jest to, że fala przenosi energię, ale nie przenosi całej materii na duże odległości. Gdy wrzucisz kamień do wody, widzisz kręgi na powierzchni. Woda faluje, ale nie odpływa cała razem z falą od miejsca uderzenia.

Źródłem fali jest ciało wykonujące drgania. Może to być struna gitary, membrana głośnika albo ręka poruszająca sznurek.

Punkty ośrodka nie wędrują razem z falą, tylko wykonują drgania wokół swojego położenia równowagi. To położenie, w którym punkt znajdowałby się, gdyby nie było zaburzenia.

W fali na sznurku lub na powierzchni wody łatwo zauważyć grzbiety i doliny. Grzbiet to najwyższa część fali, a dolina to najniższa. Dzięki nim można odczytywać niektóre wielkości z rysunku.

Ważną cechą fali jest amplituda. To największe wychylenie punktu od położenia równowagi. Im większa amplituda fali dźwiękowej, tym zwykle dźwięk odbieramy jako głośniejszy.

Długość fali oznaczamy symbolem $\lambda$. Jest to odległość między dwoma najbliższymi punktami drgającymi tak samo. Na rysunku fali poprzecznej najłatwiej mierzyć ją między dwoma sąsiednimi grzbietami albo dwiema sąsiednimi dolinami. Jednostką długości fali jest metr.

Częstotliwość oznaczamy symbolem $f$. Mówi ona, ile pełnych drgań zachodzi w czasie $1\,s$. Jednostką jest herc: $1\,Hz$ oznacza jedno drganie na sekundę.

Okres oznaczamy symbolem $T$. To czas jednego pełnego drgania. Jednostką okresu jest sekunda.

Między okresem i częstotliwością zachodzi związek:

• $f=\frac{1}{T}$
• $T=\frac{1}{f}$

Prędkość fali oznaczamy symbolem $v$. To szybkość, z jaką zaburzenie rozchodzi się w ośrodku. Jednostką jest metr na sekundę, czyli $\frac{m}{s}$.

Prędkość fali obliczamy ze wzoru:

• $v=\lambda f$

Ponieważ $f=\frac{1}{T}$, można też zapisać:

• $v=\frac{\lambda}{T}$

Z tych wzorów widać ważną zależność. Jeśli fala rozchodzi się w tym samym ośrodku z tą samą prędkością, to większa częstotliwość oznacza mniejszą długość fali. Gdy częstotliwość maleje, długość fali rośnie.

Prędkość fali zależy głównie od rodzaju ośrodka. Ta sama fala może rozchodzić się inaczej w powietrzu, a inaczej w wodzie lub w ciele stałym.

W zadaniach najpierw sprawdź, jakie wielkości są podane: długość fali $\lambda$, częstotliwość $f$, okres $T$ albo prędkość $v$. Potem wybierz odpowiedni wzór i pilnuj jednostek.

Najczęstsze obliczenia:

• gdy znasz $\lambda$ i $f$, liczysz $v=\lambda f$
• gdy znasz $v$ i $f$, liczysz $\lambda=\frac{v}{f}$
• gdy znasz częstotliwość, liczysz okres z $T=\frac{1}{f}$
• gdy znasz okres, liczysz częstotliwość z $f=\frac{1}{T}$

Przykład: jeśli $\lambda=2\,m$ i $f=4\,Hz$, to $v=2\cdot 4=8\,\frac{m}{s}$.

Częsty błąd to mylenie amplitudy z długością fali. Amplituda mówi o tym, jak duże jest wychylenie, a długość fali opisuje odległość między punktami drgającymi tak samo.