Zvuková vlna je mechanické podélné vlnění o určité frekvenci. V článku pochopíme, co jsou podélné a příčné vlny, proč ne každé mechanické vlnění je zvukové. Zjistěte rychlost vlny a frekvence, na kterých zvuk vzniká. Pojďme zjistit, zda je zvuk stejný v různých prostředích, a naučíme se, jak zjistit jeho rychlost pomocí vzorce.
Zobrazuje se vlna
Představme si vodní hladinu, například rybník za klidného počasí. Pokud hodíte kámen, pak na hladině vody uvidíme kruhy rozbíhající se od středu. A co se stane, když vezmeme ne kámen, ale kuličku a uvedeme ji do kmitavého pohybu? Kruhy budou neustále generovány vibracemi míče. Uvidíme přibližně totéž, co ukazuje počítačová animace.
Pokud spustíme plovák v určité vzdálenosti od míče, bude také oscilovat. Když se fluktuace v průběhu času rozcházejí v prostoru, tento proces se nazývá vlna.
Pro studium vlastností zvuku (vlnová délka, rychlost vlny atd.) je vhodná známá hračka Rainbow neboli Happy Rainbow.
Natáhněte pružinu, nechte ji zklidnit a prudce s ní zatřesme nahoru a dolů. Uvidíme, že se objevila vlna, která běžela podél pramene a pak se vrátila zpět. To znamená, že se odráží od překážky. Pozorovali jsme, jak se vlna šíří podél pramene v průběhu času. Částice pružiny se pohybovaly nahoru a dolů vzhledem k jejich rovnováze a vlna běžela doleva a doprava. Taková vlna se nazývá příčná vlna. V něm je směr jeho šíření kolmý na směr kmitání částic. V našem případě byla médiem šíření vlny pružina.
Nyní natáhněte pružinu, nechte ji zklidnit a táhněte tam a zpět. Uvidíme, že závity pružiny jsou podél ní stlačeny. Vlna běží stejným směrem. Na jednom místě je pružina více stlačená, jinde více natažená. Taková vlna se nazývá podélná. Směr oscilace jeho částic se shoduje se směrem šíření.
Představme si husté médium, například tuhé těleso. Pokud jej deformujeme střihem, vznikne vlna. Objeví se v důsledku elastických sil působících pouze v pevných látkách. Tyto síly hrají roli obnovy a generují elastickou vlnu.
Kapalinu nemůžete deformovat střihem. Příčná vlna se nemůže šířit v plynech a kapalinách. Další věc je podélná: šíří se ve všech prostředích, kde působí elastické síly. V podélné vlně se částice k sobě přibližují, pak se vzdalují a samotné médium je stlačeno a zředěno.
Mnoho lidí si myslí, že tekutinynestlačitelné, ale není tomu tak. Pokud zatlačíte na píst stříkačky vodou, trochu se stáhne. V plynech je možná i tlakově-tahová deformace. Stisknutím pístu prázdné injekční stříkačky se stlačí vzduch.
Rychlost a vlnová délka
Vraťme se k animaci, kterou jsme zvažovali na začátku článku. Vybereme si libovolný bod na jedné z kružnic rozbíhajících se od podmíněné koule a sledujeme ji. Bod se vzdaluje od středu. Rychlost, kterou se pohybuje, je rychlostí hřebene vlny. Můžeme dojít k závěru: jednou z charakteristik vlny je rychlost vlny.
Animace ukazuje, že hřebeny vln jsou umístěny ve stejné vzdálenosti. To je vlnová délka – další z jejích charakteristik. Čím častější jsou vlny, tím kratší je jejich délka.
Proč ne každé mechanické vlnění je zvukové
Vezměte si hliníkové pravítko.
Je to skákací, takže je to dobré pro zážitek. Položíme pravítko na okraj stolu a rukou ho přitlačíme tak, aby silně vyčnívalo. Zatlačíme na jeho okraj a prudce uvolníme - volná část začne vibrovat, ale nebude slyšet žádný zvuk. Pokud pravítko jen trochu roztáhnete, vibrace krátké hrany vytvoří zvuk.
Co tato zkušenost ukazuje? Ukazuje, že zvuk vzniká pouze tehdy, když se těleso pohybuje dostatečně rychle, když je rychlost vln v médiu vysoká. Uveďme ještě jednu charakteristiku vlny - frekvenci. Tato hodnota ukazuje, kolik vibrací tělo dělá za sekundu. Když vytvoříme ve vzduchu vlnu, zvuk vzniká za určitých podmínek – když je dostvysoká frekvence.
Je důležité pochopit, že zvuk není vlna, i když souvisí s mechanickými vlnami. Zvuk je vjem, ke kterému dochází, když zvukové (akustické) vlny vstupují do ucha.
Vraťme se k pravítku. Při vysunutí větší části pravítko kmitá a nevydává žádný zvuk. Vytváří to vlnu? Jistě, ale je to mechanické vlnění, ne zvukové. Nyní můžeme definovat zvukovou vlnu. Jedná se o mechanické podélné vlnění, jehož frekvence je v rozsahu od 20 Hz do 20 tisíc Hz. Pokud je frekvence nižší než 20 Hz nebo vyšší než 20 kHz, neuslyšíme ji, ačkoli se budou vyskytovat vibrace.
Zdroj zvuku
Každé kmitající těleso může být zdrojem akustického vlnění, potřebuje pouze elastické médium, například vzduch. Vibrovat může nejen pevné těleso, ale také kapalina a plyn. Vzduch jako směs několika plynů může být nejen médiem šíření, ale sám je schopen generovat akustickou vlnu. Právě jeho vibrace jsou základem zvuku dechových nástrojů. Flétna ani trubka nevibrují. Je to vzduch, který je zředěný a stlačený, dává vlně určitou rychlost, v důsledku čehož slyšíme zvuk.
Šíření zvuku v různých prostředích
Zjistili jsme, že různé látky znějí: kapalné, pevné, plynné. Totéž platí pro schopnost vést akustické vlnění. Zvuk se šíří v jakémkoli elastickém prostředí (kapalné, pevné, plynné), kromě vakua. V prázdném prostoru, řekněme na Měsíci, neuslyšíme zvuk vibrujícího těla.
Většina zvuků vnímaných lidmi je přenášena vzduchem. Ryby, medúzy slyší akustickou vlnu rozbíhající se vodou. My, pokud se ponoříme pod vodu, uslyšíme i hluk projíždějícího motorového člunu. Navíc vlnová délka a rychlost vlny budou vyšší než ve vzduchu. To znamená, že zvuk motoru jako první uslyší osoba potápějící se pod vodou. Rybář, který sedí ve své lodi na stejném místě, uslyší hluk později.
V pevných látkách se zvuk šíří ještě lépe a rychlost vln je vyšší. Pokud si k uchu přiložíte tvrdý předmět, zejména kovový, a poklepete na něj, uslyšíte velmi dobře. Dalším příkladem je váš vlastní hlas. Když poprvé slyšíme naši řeč, dříve nahranou na hlasový záznamník nebo z videa, zdá se nám hlas cizí. Proč se tohle děje? Protože v životě neslyšíme tolik zvukové vibrace z našich úst, jako vibrace vln procházejících kostmi naší lebky. Zvuk odražený od těchto překážek se poněkud změní.
Rychlost zvuku
Rychlost zvukové vlny, vezmeme-li v úvahu stejný zvuk, se bude v různých prostředích lišit. Čím je médium hustší, tím rychleji se zvuk dostane do našeho ucha. Vlak od nás může jet tak daleko, že zvuk kol ještě nebude slyšet. Pokud však přiložíte ucho na kolejnice, jasně slyšíme rachot.
To naznačuje, že zvukové vlny se v pevných látkách šíří rychleji než ve vzduchu. Obrázek ukazuje rychlost zvuku v různých prostředích.
Vlnová rovnice
Rychlost, frekvence a vlnová délka jsou vzájemně propojeny. U těles, která kmitají vysokou frekvencí, je vlna kratší. Nízkofrekvenční zvuky lze slyšet na větší vzdálenost, protože mají delší vlnovou délku. Existují dvě vlnové rovnice. Ilustrují vzájemnou závislost vlnových charakteristik na sobě. Znáte-li libovolné dvě veličiny z rovnic, můžete vypočítat třetí:
с=ν × λ, kde c je rychlost, ν je frekvence, λ je vlnová délka.
Druhá rovnice akustické vlny:
s=λ / T, kde T je perioda, tj. doba, po kterou tělo jednou osciluje.
