Transcript Fizyka_w08
WYKŁAD 3=? 2 dr Marek Siłuszyk WSFiZ Drgania Ruch harmoniczny Przemieszczenie Prędkość Przyspieszenie Plan wykładu: Siła w ruchu harmonicznym Fale Energia w ruchu harmonicznym Wahadła: Mechaniczne Elektromagnetyczne Ruch harmoniczny a ruch jednostajny po okręgu Oscylator tłumiony Drgania wymuszone Rezonans mechaniczny Rodzaje fal: Fale materii Fale poprzeczne i podłużne UWAGA!!!: Skorpion Własności fal: Długość fali Częstość fali Prędkość fali biegnącej Energia i moc fali biegnącej przemieszczenie czas(t) 0 Wykres zależności położenia x od czasu: x=x(t) Każdy ruch powtarzający się w regularnych odstępach czasu nazywamy ruchem okresowym. Zależność przemieszczenia x ciała względem początku układu współrzędnych od czasu opisana jest wzorem: xt xm cos t gdzie: xm , , -stałe Taki ruch nazywamy ruchem harmonicznym –jest to ruch okresowy opisywany sinusoidalną funkcją czasu. przemieszczenie w chwili t faza xt xm cos t amplitudadodatnia stała czas częstość kołowa faza początkowa 1. 50 1. 00 0. 50 0. 00 0. 00 1. 00 2. 00 3. 00 4. 00 5. 00 6. 00 7. 00 - 0. 50 Na wykresach są przedstawione 2 ruchy drgające. - 1. 00 Czym one się różnią ? - 1. 50 1. 50 1. 00 0. 50 0. 00 0. 00 1. 00 2. 00 3. 00 4. 00 5. 00 6. 00 7. 00 - 0. 50 • Częstość kołowa - 1. 00 • Faza początkowa - 1. 50 • Amplituda 1. 50 1. 00 0. 50 0. 00 0. 00 - 0. 50 - 1. 00 - 1. 50 1. 00 2. 00 3. 00 4. 00 5. 00 6. 00 7. 00 Dla przemieszczenia w ruchu okresowym spełniony jest warunek: t xt xt T Dla uproszczenia rozważań weźmy: 0 xm cos t xm cos t T T 2 2 2 T Prędkość w ruchu harmonicznym Różniczkując równanie na przemieszczenie otrzymujemy wzór na prędkość: dx t d V t xm cos t dt dt V t xm sin t Przyspieszenie w ruchu harmonicznym Różniczkując równanie określające prędkość otrzymujemy wzór na przyspieszenie: dv t d at xm sin t dt dt at xm cos t 2 Związek między przemieszczeniem a przyspieszeniem w ruchu harmonicznym at xm cos t 2 at xt 2 d xt 2 x t 2 dt 2 Równanie różniczkowe X(t) przemieszczenie Związek między przemieszczeniem a przyspieszeniem w ruchu harmonicznym at xm cos t 2 at xt 2 d xt 2 x t 2 dt 2 Równanie różniczkowe X(t) przemieszczenie Siła w w ruchu harmonicznym F ma mat m x 2 Z Prawa Hooke’a: K – stała sprężystości F kx k m 2 Ruch harmoniczny jest to ruch, jaki wykonuje ciało o masie m, na które działa siła proporcjonalna do przemieszczenia, ale o przeciwnym znaku. Liniowy oscylator harmoniczny k m -xm k m x=0 +xm m T 2 k Pytanie kontrolne: Która z poniższych zależności między działającą na ciało siłą F, a położeniem x ciała opisuje ruch harmoniczny ?: F = - 5x F = - 400x2 F = 10x F = 3x2 Energia w ruchu harmonicznym Energia oscylatora liniowego zmienia się wciąż z energii kinetycznej w potencjalną i z powrotem, podczas gdy ich suma – energia mechaniczna E oscylatora – pozostaje stała. E p Ek E const Energia potencjalna Energia potencjalna oscylatora liniowego w całości związana jest ze sprężyną. Jej wartość zależy od rozciągnięcia lub ściśnięcia sprężynyczyli od x(t). 1 2 1 2 2 E p t kx k xm cos t 2 2 Energia kinetyczna Energia kinetyczna oscylatora liniowego w całości związana jest z klockiem. Jej wartość zależy od tego jak szybko porusza się klocek – czyli od V(t). 1 2 1 2 2 Ek t mv k xm sin t 2 2 Na podstawie powyższych wzorów proszę wyprowadzić wzór na całkowitą energię oscylatora E E p Ek ...? Ostatecznie otrzymamy: 1 2 E k xm 2 1. 20 E 1. 00 Wykresy energii w funkcji: 0. 80 0. 60 a) E=E(t) 0. 40 b) E=E(x) 0. 20 t 0. 00 0. 00 0. 50 1. 00 1. 50 E 2. 00 2. 50 3. 00 3. 50 30. 0 25. 0 20. 0 15. 0 10. 0 Która energia jest która ? 5. 0 0. 0 -6 -4 -xm -2 0 2 4 6 +xm Wahadło Torsyjne (skrętne) – jest to oscylator harmoniczny, którego sprężystość jest związana ze skręcaniem zamocowanego na jednym końcu cienkiego pręta Nieruchomy koniec drut I T 2 k T – okres drgań I – moment bezwładności K – moment kierujący Wahadło matematyczne – jest to oscylator harmoniczny, który ma postać ciała (ciężarka) o masie m zawieszonego na jednym końcu nierozciągliwej nici o znikomo małej masie i długości L Nieruchomy koniec L T 2 g T – okres drgań[dla małych amplitud] L – długość wahadła g – przyspieszenie ziemskie Wahadło Fizyczne – jest to rzeczywiste wahadło w przeciwieństwie do wahadła matematycznego może mieć skomplikowany rozkład masy I T 2 m gh T – okres drgań [dla małych amplitud] I – moment bezwładności m – masa wahadła g – przyspieszenie ziemskie h – długość ramienia Ruch harmoniczny a ruch jednostajny po okręgu Ruch harmoniczny jest ruchem rzutu punktu poruszającego się ruchem jednostajny po okręgu na średnicę okręgu, po którym ten ruch się odbywa xt xm cos t V t xm sin t at xm cos t 2 P’ xm P X(t) Ruch harmoniczny tłumiony Jeżeli ruch oscylatora słabnie na skutek działania sił zewnętrznych, to taki oscylator nazywamy oscylatorem tłumionym, a jego drgania nazywamy tłumionymi Zakładamy, że siła oporu F0 jaką działa ciecz jest proporcjonalna do wartości prędkości V łopatki i klocka zatem: F0 b V b – stała tłumienia [g/s] Wiemy, że sprężyna działa na klocek siłą Fs = -k x Ponieważ siła ciężkości P jest znikomo mała w porównaniu z siłami F0, Fs czyli F0 <<P oraz Fs <<P Na podstawie II zasady dynamiki Newtona możemy zapisać : b V k x m a 2 d x dx m 2 b kx 0 dt dt 2 d x dx m 2 b kx 0 dt dt Rozwiązując równanie różniczkowe otrzymujemy: xt xm bt e 2m cos t 2 k b 2 m 4m Pytanie kontrolne Co otrzymamy gdy (b=0) ? Czy coś to Państwu przypomina ? xt xm Oczywiście macie Państwo rację. Jest to ruch harmoniczny bez tłumienia bt e 2m cos t 2 k b 2 m 4m ENERGIA W przypadku oscylatora tłumionego amplituda drgań stopniowo maleje z upływem czasu. Energia oscylatora także będzie spadać zgodnie ze wzorem: 1 E t 2 bt 2 m k xm e E(t) 1. 2 1 E(t) ~ e-t E(t) ~ e-t 0. 8 0. 6 0. 4 t 0. 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Drgania wymuszone. Drgania, które wykonuje ciało wychylone ze stanu równowagi i pozostawione samemu sobie, tj. nie poddane działaniu dodatkowych sił zewnętrznych określamy mianem drgań własnych ciała. Drgania własne ciała mają zawsze tę samą charakterystyczną dla niego częstotliwość, niezależnie od sposobu wzbudzenia. Wiemy, że zanikaniu wahań wahadła można zapobiec przez okresowe pobudzanie go do ruchu. Jeżeli energia dostarczana w każdym impulsie pobudzającym zrównoważy energię rozpraszaną, to drgania wahadła staną się niegasnące. Takie drgania wzbudzone za pomocą zmieniających się okresowo sił zewnętrznych albo też przenoszone z innego ciała drgającego nazywamy drganiami wymuszonymi. Rezonans mechaniczny A B C Pobudzamy do drgań wahadło A, obserwujemy, że jego drgania stopniowo zanikają, coraz bardziej zaczyna się wahać wahadło C. Wahadło B pozostaje cały czas w spoczynku. Zaobserwowaliśmy zjawisko rezonansu mechanicznego, czyli zjawisko przekazywania drgań (energii drgań) ciał o takiej samej częstotliwości drgań własnych. Zawieszenie wahadła nie jest sztywne lecz porusza się w górę i w dół z częstotliwością kołową wym Taki oscylator drga z częstotliwością wym A przemieszczenie dane jest starym wzorem: xt xm cos wym t Amplituda drgań jest największa gdy spełniony jest warunek REZONANSU: wym 36 X(t) [m] 2 xt xm 1 bt e 2m cos t 1 t[s] 0 0 -1 -1 -2 2 4 6 8 10 12 Był 19 września 1985 roku. Fale sejsmiczne wywołane przez trzęsienie Ziemi na zachodnim wybrzeżu Meksyku spowodowały ogromne zniszczenia w stolicy kraju – mieście Meksyku - w odległości około 400km od miejsca gdzie powstały Dlaczego fale sejsmiczne spowodowały tak ogromne zniszczenia w stolicy, natomiast stosunkowo niewielkie po drodze? Odpowiedz : => Trzęsienie w Meksyku było bardzo silne około ~8.1 stopni w skali Richtera Po drodze na twardym gruncie fale miały amplitudę lecz w stolicy 1. Miasto było zbudowane na dnie jeziora (miękkie podłoże lepiej przenosi drgania) 2. Wiele budynków o średniej wysokości miało częstości około 3 rad/s Większość budynków o średniej wysokości runęła, zaś budynki niższe (większe częstotliwości) oraz wyższe (mniejsze częstotliwości) pozostały całe Fala mechaniczna jest to fala, której rozchodzenie opisują prawa mechaniki klasycznej. Fala mechaniczna to zaburzenie rozchodzące się w ośrodkach sprężystych. Fale morskie to rozchodzące się po powierzchni morza zaburzenie poziomu wody oraz ciśnienia. Fale dźwiękowe to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie ciśnienia. Aby określić własności fali mechanicznej najważniejsze jest zbadanie własności sprężystych ośrodka. W procesie rozchodzenia się fali zasadnicze znaczenie ma proces przekształcania potencjalnej energii mechanicznej (energii ciśnienia bądź naprężenia) w energię kinetyczną. Jeżeli po odkształceniu/sprężeniu ośrodek potrafi znaczną część energii potencjalnej przekształcić ponownie w energię kinetyczną, to fala mechaniczna może rozchodzić się na znaczne odległości. Poszczególne ośrodki mogą znacząco różnić się własnościami mechanicznymi, co prowadzi to znacznych różnic w przebiegu zjawisk falowych w różnych materiałach. Dla przykładu w stali dźwięk rozchodzi się w przybliżeniu 20 razy szybciej niż w powietrzu. Co więcej różne własności dotyczące tłumienia powodują, że jego zasięg jest znacznie większy. Zjawiska sprężyste powodują, że przyłożenie naprężenia do materiału, również może zmienić jego własności jako medium przenoszącego fale. Przykładem może być tutaj struna, w której szybkość rozchodzenia się fali zmienia się zależnie od przyłożonej siły, co można wykorzystać do strojenia. Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) (od fal najdłuższych do najkrótszych) Przykłady fal elektromagnetycznych: • fale radiowe, • podczerwień, • światło widzialne, • ultrafiolet, • promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X), • promieniowanie gamma. Wszystkie fale elektromagnetyczne poruszają się w próżni z tą samą prędkością c = 299 792 458 m/s Fale materii, zwane też falami de Broglie'a jest to, alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego), sposób postrzegania obiektów materialnych. Według hipotezy dualizmu korpuskularno-falowego każdy obiekt może być opisywany na dwa sposoby: jako cząstka/obiekt materialny albo jako fala (materii). Pomysł opisu cząstek za pomocą fal pochodzi od Louisa de Broglie'a, który w 1924 roku uogólnił teorię fotonową efektu fotoelektrycznego. W tym czasie wiedziano już, że na potrzeby opisu niektórych zjawisk fizycznych, z każdą falą elektromagnetyczną można stowarzyszyć pewną cząstkę - foton. Propozycja De Broglie'a polegała na tym, aby każdej cząstce o różnym od zera pędzie przypisać falę, o określonej długości i częstości. Propozycja ta wychodziła naprzeciw wynikom eksperymentalnym, które świadczyły, że w pewnych sytuacjach każda cząstka może zachowywać się jak fala. Fala poprzeczna jest to fala, w której kierunek drgań cząstek ośrodka jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi. Fale mechaniczne poprzeczne nie mogą rozchodzić się w objętości ośrodków płynnych, gdyż te nie przenoszą sił ścinających, a mogą rozchodzić się tylko w ciałach stałych. Na tej podstawie stwierdzono, że jądro Ziemi jest płynne. Fale na granicy ośrodków (np. fale na wodzie) są z natury falami poprzecznymi. Przeciwieństwem fal poprzecznych są fale podłużne, w ciałach stałych w których mogą rozchodzić się oba rodzaje fal, fale poprzeczne rozchodzą się wolniej. Fala podłużna to fala, której drgania odbywają się w kierunku równoległym do kierunku jej rozchodzenia się. Przykładem fali podłużnej jest fala dźwiękowa. Fale dźwiękowe to rodzaj fal ciśnienia. Ośrodki w których mogą się poruszać, to ośrodki sprężyste (ciało stałe, ciecz, gaz). Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia. Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić następujące rodzaje tych fal: •infradźwięki - poniżej 20 Hz, •dźwięki słyszalne 20 Hz - 20 kHz - słyszy je większość ludzi, •ultradźwięki - powyżej 20 kHz, •hiperdźwięki - powyżej 1010 Hz. 48 Legenda: •B - fale radiowe •C - mikrofale •D - podczerwień •E - światło widzialne •F - ultrafiolet •G - promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X) •H - promieniowanie gamma •I - widmo światła widzialnego Gdy chrząszcz idący po piasku znajduje się w odległości kilkudziesięciu centymetrów od skorpiona, ten natychmiast odwraca się w kierunku chrząszcza i rzuca się na niego (aby go zjeść). Skorpion może to zrobić, ani nie widząc (jest zwierzęciem nocnym), ani nie słysząc chrząszcza. W jaki sposób skorpion jest w stanie tak precyzyjnie zlokalizować swoją ofiarę? W chwili t przemieszczenie y(x,t) elementu znajdującego się w punkcie x dane jest wzorem [funkcją 2-zmiennych] yx, t ym sinkx t Na podstawie tego równania jesteśmy w stanie określić w którym momencie t oraz w jakiej odległości x będzie przemieszczenie y czynnik oscylacyjny przemieszczenie faza yx, t ym sinkx t amplituda czas liczba falowa położenie częstość kołowa Długość fali λ - to odległość (mierzona równolegle do kierunku rozchodzenia się fali) pomiędzy powtarzającym się fragmentem fali. Dla fali sinusoidalnej długość to odległość między dwoma szczytami. Liczba falowa - wielkość opisująca falę. Zdefiniowana wzorem: gdzie: k - liczba falowa [rad/metr] λ - długość fali[m] k 2 Użycie liczby falowej w miejsce długości fali upraszcza zapis równania falowego. 56 Okres T definiujemy jako czas, w ciągu którego dowolny element liny wykona jedno pełne drganie 2 T Częstość kołowa - rad s 1 T 2 Częstość (częstotliwość) - Hz Prędkość fali biegnącej V obliczamy biorąc punkty gdzie jest taka sama faza drgań czyli: przemieszczenie czas(t) 0 kx t const To równanie oznacza stałą fazę, chociaż x i t się zmieniają Prędkość fali V obliczamy biorąc pochodną powyższego równania czyli: dx k 0 dt V k T 62 63 64