기계적 파동 : 특성, 속성, 공식, 유형 - 물리적 인

기계 파도가 전파하는 물리적 매체를 필요로하는 장애이다. 가장 가까운 예는 기체, 액체 또는 고체를 통해 전달 될 수있는 소리입니다.

다른 잘 알려진 기계적 파동은 악기의 팽팽한 현을 뽑을 때 생성되는 파동입니다. 또는 연못에 던진 돌로 인해 발생하는 전형적인 원형 잔물결.

그림 1. 악기의 팽팽한 현이 가로 파로 진동합니다. 출처 : Pixabay.

교란은 매체를 통해 이동하여 파동의 유형에 따라이를 구성하는 입자에서 다양한 변위를 생성합니다. 파동이 지나갈 때 매질의 각 입자는 평형 위치에서 잠시 분리되는 반복적 인 움직임을 만듭니다.

방해의 기간은 에너지에 따라 다릅니다. 파동 운동에서 에너지는 매질의 한 쪽에서 다른쪽으로 전파되는 것입니다. 진동하는 입자는 원래 위치에서 너무 멀리 떨어져 있지 않기 때문입니다.

파도와 그 에너지는 먼 거리를 이동할 수 있습니다. 파도가 사라지는 것은 그 에너지가 결국 중간에서 소멸되어 모든 것이 소란 이전처럼 조용하고 조용해 졌기 때문입니다.

기계 파의 종류

기계적 파동은 세 가지 주요 그룹으로 분류됩니다.

-횡파.

-종파.

-표면파.

횡파

전단파에서 입자는 전파 방향에 수직으로 이동합니다. 예를 들어 다음 그림에서 문자열의 입자는 물결이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 동안 수직으로 진동합니다.

그림 2. 스트링의 횡파. 파동 전파 방향과 개별 입자의 운동 방향은 수직입니다. 출처 : Sharon Bewick

종파

종파에서 입자의 전파 방향과 이동 방향은 평행합니다.

그림 3. 종파. 출처 : Polpol

표면파

바다 물결에서는 종파와 횡파가 표면에 결합되므로 다음 그림과 같이 두 개의 다른 매체 인 물과 공기 사이의 경계를 따라 이동하는 표면파입니다.

그림 4. 종파와 횡파를 결합한 파도. 출처 : Pixabay에서 수정 됨.

해안에서 파도를 깰 때 세로 구성 요소가 우세합니다. 따라서 해안 근처의 조류는 앞뒤로 움직이는 것이 관찰됩니다.

다양한 유형의 파도의 예 : 지진 운동

지진이 발생하면 종파와 횡파를 포함하여 전 세계를 여행하는 다양한 유형의 파도가 생성됩니다.

종 방향 지진파는 P 파, 횡파는 S 파라고합니다.

지정 P는 압력 파이며 처음에 도착할 때도 1 차적인 반면, 가로 방향은 "전단"또는 전단의 경우 S이고 P 뒤에 도착하므로 2 차입니다.

특성 및 특성

그림 2의 노란색 파동은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 동일한 교란으로 구성된주기적인 파동입니다. a와 b는 각 웨이브 영역에서 동일한 값을가집니다.

주기 파의 섭동은 시간과 공간 모두에서 반복되며, 가장 높은 지점 인 피크 또는 피크와 가장 낮은 지점이있는 밸리를 갖는 사인 곡선 형태를 채택합니다.

이 예제는 기계 파의 가장 중요한 특성을 연구하는 데 도움이 될 것입니다.

웨이브 진폭 및 파장

그림 2의 파동이 진동하는 줄을 나타낸다고 가정하면 검은 색 선이 기준 역할을하며 파동 열을 두 개의 대칭 부분으로 나눕니다. 이 선은 로프가 정지 된 위치와 일치합니다.

a의 값은 파동의 진폭이라고하며 일반적으로 문자 A로 표시됩니다. 그 부분에 대해 두 개의 계곡 또는 두 개의 연속적인 볏 사이의 거리는 파장 l이며 그림 2에서 b라고하는 크기에 해당합니다.

기간 및 빈도

시간의 반복적 인 현상이기 때문에 파동은 완전한주기를 완료하는 데 걸리는 시간 인주기 T를 가지며, 주파수 f는주기의 역수 또는 역수이며 단위 시간당 수행되는주기 수에 해당합니다. .

주파수 f는 1886 년에 전파를 발견 한 Heinrich Hertz를 기리기 위해 s ^-1 또는 Hertz를 국제 시스템에서 단위로 사용합니다 . 1Hz는 1 회주기 또는 진동에 해당하는 주파수로 해석됩니다. 둘째.

파동의 속도 v는 파동의 길이와 주파수를 관련시킵니다.

v = λ.f = l / T

각 주파수

또 다른 유용한 개념은 다음과 같이 주어진 각 주파수 ω입니다.

ω = 2πf

기계 파의 속도는 이동하는 매체에 따라 다릅니다. 일반적으로 기계적 파동은 고체를 통과 할 때 더 빠른 속도를 가지며 대기를 포함한 가스에서는 더 느립니다.

일반적으로 여러 유형의 기계적 파동의 속도는 다음 식으로 계산됩니다.

예를 들어, 코드를 따라 이동하는 파동의 경우 속도는 다음과 같이 지정됩니다.

스트링의 장력은 스트링을 평형 위치로 되 돌리는 경향이있는 반면 질량 밀도는 이것이 즉시 발생하는 것을 방지합니다.

공식 및 방정식

다음 방정식은 다음 연습 문제를 해결하는 데 유용합니다.

각 주파수 :

ω = 2πf

기간:

T = 1 / f

질량 선형 밀도 :

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

문자열로 전파되는 파동의 속도 :

작동 예

연습 1

그림 2에 표시된 사인파는 양의 x 축 방향으로 이동하며 주파수는 18.0Hz입니다 .2a = 8.26cm, b / 2 = 5.20cm로 알려져 있습니다. 찾기:

a) 진폭.

b) 파장.

c) 기간.

d) 파동 속도.

해결책

a) 진폭은 a = 8.26 cm / 2 = 4.13 cm입니다.

b) 파장은 l = b = 2 x20 cm = 10.4 cm입니다.

c)주기 T는 주파수의 역이므로 T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 초입니다.

d) 파동의 속도는 v = lf = 10.4cm입니다. 18Hz = 187.2cm / 초

연습 2

75cm 길이의 얇은 와이어의 질량은 16.5g입니다. 한쪽 끝은 못에 고정되고 다른 쪽 끝은 와이어의 장력을 조절할 수있는 나사가 있습니다. 계산하다:

a)이 파도의 속도.

b) 파장이 3.33cm 인 횡파가 초당 625 사이클의 속도로 진동하는 데 필요한 뉴턴 단위의 장력.

해결책

a) v = λ.f를 사용하여 모든 기계적 파동에 유효하고 숫자 값을 대체하여 다음을 얻습니다.

v = 3.33cm x 625 사이클 / 초 = 2081.3cm / s = 20.8m / s

b) 스트링을 통해 전파되는 파동의 속도는 다음과 같습니다.

로프의 장력 T는 평등의 양쪽으로 제곱하고 다음을 해결하여 얻습니다.

T = v ² .μ = 20.8 ² . 2.2 x 10 ^-6 N = 9.52 x 10 ^-4 N.

소리 : 종파

소리는 종파이며 시각화하기 매우 쉽습니다. 필요한 것은 파도의 모양을 결정하기 위해 많은 실험을 수행 할 수있는 유연한 나선형 스프링입니다.

종파는 매체를 교대로 압축하고 확장하는 펄스로 구성됩니다. 압축 된 영역을 "압축"이라고하며 스프링 코일이 가장 멀리 떨어져있는 영역은 "팽창"또는 "희귀"입니다. 두 영역 모두 슬링 키의 축축을 따라 이동하여 종파를 형성합니다.

그림 5. 나선형 스프링을 따라 전파되는 종파. 출처 : 자체 제작.

스프링의 한 부분이 압축되고 다른 부분은 에너지가 파도와 함께 이동함에 따라 늘어나는 것과 같은 방식으로 소리는 방해 요인을 둘러싼 공기 부분을 압축합니다. 따라서 진공 상태에서 전파 할 수 없습니다.

종파의 경우 횡주기 파에 대해 이전에 설명한 매개 변수 (파의 진폭, 파장,주기, 주파수 및 속도)가 동일하게 유효합니다.

그림 5에는 코일 스프링을 따라 이동하는 종파의 파장이 나와 있습니다.

그 안에는 두 개의 연속적인 압축의 중심에 위치한 두 지점이 파장의 값을 나타 내기 위해 선택되었습니다.

압축은 피크와 동일하고 확장은 가로 파의 밸리와 동일하므로 음파는 사인파로도 나타낼 수 있습니다.

소리의 특성 : 주파수와 강도

소리는 우리가 지금까지 본 예와 구별되는 몇 가지 매우 특별한 속성을 가진 일종의 기계 파입니다. 다음으로 가장 관련성이 높은 속성이 무엇인지 살펴 보겠습니다.

회수

소리의 주파수는 인간의 귀에 고음 (고주파) 또는 저 (저주파) 사운드로 인식됩니다.

사람의 귀에서 가청 주파수 범위는 20 ~ 20,000Hz입니다. 20,000Hz 이상은 초음파라고하는 소리이고, 초 저주파 아래에는 사람이들을 수 없지만 개와 다른 동물은 인식 할 수 있습니다. 그리고 사용하십시오.

예를 들어 박쥐는 코에서 초음파를 방출하여 어둠 속에서 자신의 위치를 확인하고 의사 소통을합니다.

이 동물들은 반사파를 수신하고 방출 파와 반사파 사이의 지연 시간과 주파수 및 강도의 차이를 어떻게 든 해석하는 센서를 가지고 있습니다. 이 데이터로 그들은 그들이 여행 한 거리를 추론하고, 이런 식으로 곤충이 어디에 있는지 알 수 있고 그들이 살고있는 동굴의 틈새 사이를 날아갈 수 있습니다.

고래와 돌고래와 같은 해양 포유류는 비슷한 시스템을 가지고 있습니다. 그들은 머리에 지방으로 가득 찬 특수 기관을 가지고있어 소리를 내고 턱에 반사 된 소리를 감지하는 센서가 있습니다. 이 시스템을 반향 위치라고합니다.

강렬

음파의 강도는 단위 시간 및 면적 단위당 전달되는 에너지로 정의됩니다. 단위 시간당 에너지는 전력입니다. 따라서 소리의 강도는 단위 면적당의 힘 및 w / m 온 ² 또는 W / M ² . 인간의 귀는 파동의 강도를 볼륨으로 인식합니다. 음악이 클수록 소리가 커집니다.

(10) 사이의 귀 검출 강도 ^-12 1 W / m ² 통증을 느끼지 않고 있지만, 강도 및 지각 양의 관계는 직선이 아니다. 볼륨이 두 배인 사운드를 생성하려면 10 배 더 강한 웨이브가 필요합니다.

사운드 강도의 수준은 로그 단위로 측정되는 상대적 강도이며 단위는 벨이고 더 자주는 데시벨 또는 데시벨입니다.

사운드 강도 레벨은 β로 표시되며 다음과 같이 데시벨로 표시됩니다.

β = 10 로그 (I / I _o )

여기서 I는 소리의 강도이고 I _o 는 1 x 10 ^-12 W / m ² 에서 청력 임계 값으로 간주되는 기준 레벨입니다 .

어린이를위한 실제 실험

아이들은 즐기면서 기계 파에 대해 많은 것을 배울 수 있습니다. 다음은 파도가 어떻게 에너지를 전달하는지 확인하기위한 몇 가지 간단한 실험입니다.

-실험 1 : 인터콤

기재

-높이가 직경보다 훨씬 큰 플라스틱 컵 2 개.

-5 미터에서 10 미터 사이의 강한 와이어.

실행

안경 바닥을 뚫어 실을 통과시키고 실이 빠지지 않도록 양 끝을 매듭으로 고정하십시오.

-각 플레이어는 유리 잔을 가져다가 일직선으로 걸어 가서 실이 팽팽하게 유지되도록합니다.

-플레이어 중 한 명이 자신의 유리 잔을 마이크로 사용하고 파트너에게 말을합니다. 파트너는 물론 듣기 위해 유리 잔을 귀에 대어야합니다. 소리 칠 필요가 없습니다.

청취자는 파트너의 목소리가 팽팽한 실을 통해 전달되는 것을 즉시 알 수 있습니다. 실이 팽팽하지 않으면 친구의 목소리가 명확하게 들리지 않습니다. 실을 귀에 직접 꽂아도 아무 소리도 들리지 않습니다. 유리 잔이 필요합니다.

설명

이전 섹션에서 현의 장력이 파동의 속도에 영향을 미친다는 것을 알고 있습니다. 전송은 또한 용기의 재질과 직경에 따라 다릅니다. 파트너가 말할 때 그의 목소리의 에너지는 공기 (세로 파)로, 거기에서 유리 바닥으로, 그리고 나서 실을 통해 가로 파로 전달됩니다.

실은 파동을 듣는 사람의 혈관 바닥으로 전달하여 진동합니다. 이 진동은 공기로 전달되고 고막에서 인식되고 뇌에서 해석됩니다.

-실험 2 : 파도 관찰

실행

다양한 형태의 파동을 형성 할 수있는 slinky, 유연한 나선형 스프링이 테이블이나 평평한 표면에 놓여 있습니다.

그림 6. slinky로 알려진 헬리컬 스프링. 출처 : Pixabay.

종파

양손에 하나씩 끝을 잡습니다. 그런 다음 작은 수평 임펄스가 한쪽 끝에 적용되고 펄스가 스프링을 따라 전파되는 것이 관찰됩니다.

또한 slinky의 한쪽 끝을 지지대에 고정하거나 파트너에게 잡고 충분히 늘려달라고 요청할 수 있습니다. 이렇게하면 이전 섹션에서 설명한대로 압축과 팽창이 스프링의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 빠르게 전파되는 방식을 관찰 할 시간이 더 많습니다.

횡파

슬링 키도 한쪽 끝을 잡고 충분히 늘립니다. 자유 끝은 위아래로 흔들어 약간 흔들립니다. 정현파 펄스는 봄을 따라 그리고 뒤로 이동하는 것으로 관찰됩니다.

참고 문헌

Giancoli, D. (2006). 물리학 : 응용 원리. 여섯 번째 판. 프렌 티스 홀. 308-336.
휴이트, 폴. (2012). 개념 물리 과학. 제 5 판. 피어슨. 239-244.
Rex, A. (2011). 물리학의 기초. 피어슨. 263-273.

기계적 파동 : 특성, 속성, 공식, 유형 - 물리적 인 - 2026