MGA MEKANIKAL NA ALON: MGA KATANGIAN, KATANGIAN, PORMULA, URI - PISIKAL - 2025

Ang isang mekanikal na alon ay isang kaguluhan na nangangailangan ng isang pisikal na daluyan upang magpalaganap. Ang pinakamalapit na halimbawa ay nasa tunog, may kakayahang maipadala sa pamamagitan ng isang gas, isang likido o isang solid.

Ang iba pang mga kilalang mekanikal na alon ay ang mga ginawa kapag ang nakatali na string ng isang musikal na instrumento ay nasaksak. O ang karaniwang mga pabilog na ripples na sanhi ng isang bato na itinapon sa isang lawa.

Larawan 1. Ang naka-link na mga string ng isang instrumentong pangmusika ay nag-vibrate na may mga nakahalang alon. Pinagmulan: Pixabay.

Ang kaguluhan ay naglalakbay sa daluyan na gumagawa ng iba't ibang mga pag-iwas sa mga particle na bumubuo nito, depende sa uri ng alon. Habang lumilipas ang alon, ang bawat butil sa daluyan ay gumagawa ng paulit-ulit na paggalaw na ihiwalay ito mula sa posisyon ng balanse nito.

Ang tagal ng kaguluhan ay nakasalalay sa enerhiya nito. Sa paggalaw ng alon, ang enerhiya ay kung ano ang kumakalat mula sa isang bahagi ng daluyan hanggang sa iba pa, dahil ang mga panginginig na butil ay hindi kailanman nalalayo nang malayo sa kanilang lugar na pinagmulan.

Ang alon at ang enerhiya na dala nito ay maaaring maglakbay ng mga malalayong distansya. Kapag nawala ang alon, ito ay dahil ang enerhiya nito ay natapos sa pag-dissipating sa gitna, na iniiwan ang lahat bilang kalmado at tahimik na tulad ng bago ang kaguluhan.

Mga uri ng mga alon ng makina

Ang mga mekanikal na alon ay naiuri sa tatlong pangunahing pangunahing grupo:

- Transverse alon.

- Mga pahaba na alon.

- Mga alon sa ibabaw.

Transverse alon

Sa paggupit ng mga alon, ang mga particle ay lumipat patayo sa direksyon ng pagpapalaganap. Halimbawa, ang mga particle ng string sa sumusunod na figure ay mag-oscillate nang patayo habang ang alon ay gumagalaw mula kaliwa patungo sa kanan:

Larawan 2. Transverse wave sa isang string. Ang direksyon ng pagpapalaganap ng alon at ang direksyon ng paggalaw ng isang indibidwal na butil ay patayo. Pinagmulan: Sharon Bewick

Paayon alon

Sa mga paayon na alon ang direksyon ng pagpapalaganap at ang direksyon ng paggalaw ng mga particle ay kahanay.

Larawan 3. Paayon na alon. Pinagmulan: Polpol

Mga alon ng ibabaw

Sa isang alon ng dagat, ang mga pahaba na alon at nakahalang alon ay pinagsama sa ibabaw, samakatuwid ang mga ito ay mga alon ng ibabaw, naglalakbay sa hangganan sa pagitan ng dalawang magkakaibang media: tubig at hangin, tulad ng ipinakita sa sumusunod na pigura.

Larawan 4. Mga alon ng karagatan na pinagsama ang mga pahaba at nakahalang alon. Pinagmulan: nabago mula sa Pixabay.

Kapag pumutok ang mga alon sa baybayin, ang mga mahahabang bahagi ay namamayani. Samakatuwid, napansin na ang algae malapit sa baybayin ay may isang pabalik-balik na paggalaw.

Mga halimbawa ng iba't ibang uri ng alon: paggalaw ng seismic

Sa panahon ng lindol, iba't ibang uri ng mga alon ang ginawa na naglalakbay sa buong mundo, kabilang ang mga paayon na alon at mga transverse na alon.

Ang mga paayon na seismic na alon ay tinatawag na P waves, habang ang mga transverse ay S waves.

Ang pagtatalaga ng P ay dahil sa ang katunayan na ang mga ito ay mga pressure waves at sila rin ang pangunahing pagdating sa una, habang ang mga transverse ay S para sa "shear" o shear at pangalawa din, dahil dumating sila pagkatapos ng P.

Mga katangian at katangian

Ang mga dilaw na alon sa Figure 2 ay mga pana-panahong alon, na binubuo ng magkaparehong mga pagkagambala na lumilipat mula kaliwa patungo sa kanan. Tandaan na ang parehong a at b ay may parehong halaga sa bawat isa sa mga rehiyon ng alon.

Ang mga perturbations ng pana-panahong alon ay paulit-ulit pareho sa oras at sa espasyo, na pinagtibay ang anyo ng isang sinusoidal curve na nailalarawan sa pamamagitan ng pagkakaroon ng mga taluktok o mga taluktok, na siyang pinakamataas na puntos, at mga lambak kung saan ang pinakamababang puntos.

Ang halimbawang ito ay maglingkod upang pag-aralan ang pinakamahalagang katangian ng mga alon ng makina.

Wave amplitude at haba ng haba

Sa pag-aakalang ang alon sa figure 2 ay kumakatawan sa isang pangpanginig na string, ang itim na linya ay nagsisilbing sanggunian at hinati ang alon ng alon sa dalawang simetriko na bahagi. Ang linyang ito ay magkakasabay sa posisyon kung saan ang lubid ay nagpapahinga.

Ang halaga ng isang ay tinatawag na amplitude ng alon at karaniwang ipinapahiwatig ng titik A. Para sa bahagi nito, ang distansya sa pagitan ng dalawang lambak o dalawang sunud-sunod na pag-crest ay ang haba ng daluyong l at tumutugma sa magnitude na tinatawag na b sa figure 2.

Panahon at dalas

Ang pagiging isang paulit-ulit na kababalaghan sa oras, ang alon ay may isang yugto T na kung saan ay oras na kinakailangan upang makumpleto ang isang kumpletong siklo, habang ang dalas f ay ang kabaligtaran o paggaling ng panahon at tumutugma sa bilang ng mga siklo na isinagawa sa bawat yunit ng oras .

Ang dalas f ay mayroong mga yunit sa International System na kabaligtaran ng oras: s ^-1 o Hertz, bilang paggalang kay Heinrich Hertz, na natuklasan ang mga alon ng radyo noong 1886. Ang Hz ay ​​binibigyang kahulugan bilang dalas na katumbas ng isang siklo o panginginig ng boses bawat pangalawa.

Ang bilis ng v ng alon ay may kaugnayan sa dalas sa haba ng alon:

v = λ.f = l / T

Ang dalas ng anggulo

Ang isa pang kapaki-pakinabang na konsepto ay ang dalas ng anggulo ω na ibinigay ng:

ω = 2πf

Ang bilis ng mga alon ng mekanikal ay naiiba depende sa daluyan kung saan sila naglalakbay. Bilang isang pangkalahatang panuntunan, ang mga makina na alon ay may mas mataas na bilis kapag naglalakbay sila sa isang solid, at mas mabagal sila sa mga gas, kabilang ang kapaligiran.

Sa pangkalahatan, ang bilis ng maraming uri ng mekanikal na alon ay kinakalkula ng mga sumusunod na expression:

Halimbawa, para sa isang alon na naglalakbay kasama ang isang kuwerdas, ang bilis ay ibinigay ng:

Ang pag-igting sa string ay may kaugaliang ibalik ang string sa posisyon ng balanse nito, habang pinipigilan ang density ng masa na mangyari kaagad.

Mga formula at equation

Ang mga sumusunod na equation ay kapaki-pakinabang sa paglutas ng mga pagsasanay na sumusunod:

Ang dalas ng anggulo:

ω = 2πf

Panahon:

T = 1 / f

Mass linear density:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Bilis ng alon na nagkalat sa isang string:

Mga Halimbawa ng Nagtrabaho

Ehersisyo 1

Ang sine wave na ipinakita sa Figure 2 ay naglalakbay sa direksyon ng positibong axis x at may dalas na 18.0 Hz.Ito ay kilala na 2a = 8.26 cm at b / 2 = 5.20 cm. Hanapin:

a) Amplitude.

b) Haba ng haba.

c) Panahon.

d) Ang bilis ng alon.

Solusyon

a) Ang amplitude ay isang = 8.26 cm / 2 = 4.13 cm

b) Ang haba ng daluyong ay l = b = 2 x20 cm = 10.4 cm.

c) Ang panahon T ay ang kabaligtaran ng dalas, samakatuwid T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 s.

d) Ang bilis ng alon ay v = lf = 10.4 cm. 18 Hz = 187.2 cm / s.

Mag-ehersisyo 2

Ang isang manipis na wire 75 cm ang haba ay may masa na 16.5 g. Ang isa sa mga dulo nito ay naayos sa isang kuko, habang ang iba pa ay may isang tornilyo na nagpapahintulot sa pag-igting sa wire na nababagay. Kalkulahin:

a) Ang bilis ng alon na ito.

b) Ang pag-igting sa mga newtons na kinakailangan para sa isang nakahalang alon na ang haba ng haba ng haba ay 3.33 cm upang mag-vibrate sa rate na 625 cycle bawat segundo.

Solusyon

a) Gamit ang v = λ.f, wasto para sa anumang mekanikal na alon at pagpapalit ng mga halagang numero, nakuha namin:

v = 3.33 cm x 625 cycle / pangalawa = 2081.3 cm / s = 20.8 m / s

b) Ang bilis ng alon na kumakalat sa pamamagitan ng isang string ay:

Ang pag-igting T sa lubid ay nakuha sa pamamagitan ng pagtaas ng parisukat sa magkabilang panig ng pagkakapantay-pantay at paglutas:

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

Tunog: isang paayon na alon

Ang tunog ay isang paayon na alon, napakadali upang mailarawan. Ang kailangan mo lang ay isang malabo, isang nababaluktot na helical spring na kung saan maraming mga eksperimento ang maaaring isagawa upang matukoy ang hugis ng mga alon.

Ang isang pahaba na alon ay binubuo ng isang pulso na halili na pumipiga at nagpapalawak ng daluyan. Ang compressed area ay tinatawag na "compression" at ang lugar kung saan ang mga coil ng tagsibol ay pinakamalayo sa pagitan ay "pagpapalawak" o "rarefaction". Ang parehong mga zone ay gumagalaw sa axial axis ng slinky at bumubuo ng isang paayon na alon.

Larawan 5. Paayon na alon na kumakalat sa isang helical spring. Pinagmulan: ginawa ng sarili.

Sa parehong paraan tulad ng isang bahagi ng tagsibol ay naka-compress at ang iba pang mga kahabaan habang ang enerhiya ay gumagalaw kasama ang alon, ang tunog ay nag-compress ng mga bahagi ng hangin na pumapalibot sa pinagmulan ng kaguluhan. Para sa kadahilanang ito ay hindi maaaring magpalaganap sa isang vacuum.

Para sa mga paayon na alon, ang mga parameter na dati nang inilarawan para sa mga transverse na pana-panahong alon ay pantay na may bisa: amplitude, haba ng haba, haba ng panahon, dalas at bilis ng alon.

Sa Figure 5 ang haba ng haba ng haba ng alon na naglalakbay kasama ang isang coil spring ay ipinapakita.

Sa loob nito, ang dalawang puntos na matatagpuan sa gitna ng dalawang sunud-sunod na mga compress ay napili upang ipahiwatig ang halaga ng haba ng daluyong.

Ang mga compression ay katumbas ng mga taluktok at ang mga pagpapalawak ay katumbas ng mga lambak sa isang nakahalang alon, kung gayon ang isang tunog ng tunog ay maaari ding kinakatawan ng isang sinusoidal na alon.

Ang mga katangian ng tunog: dalas at kasidhian

Ang tunog ay isang uri ng alon ng makina na may maraming mga espesyal na katangian, na nakikilala ito sa mga halimbawa na nakita natin hanggang ngayon. Susunod ay makikita natin kung ano ang mga pinaka may-katuturang katangian nito.

Dalas

Ang dalas ng tunog ay napansin ng tainga ng tao bilang mataas (mataas na frequency) o mababa (mababang mga frequency) tunog.

Ang naririnig na saklaw ng dalas sa tainga ng tao ay nasa pagitan ng 20 hanggang 20,000 Hz.Higit sa 20,000 Hz ang mga tunog na tinatawag na ultratunog at sa ilalim ng infrasound, mga frequency na hindi naramdaman para sa mga tao, ngunit ang mga aso at iba pang mga hayop ay nakakaunawa. at paggamit.

Halimbawa, ang mga paniki ay naglalabas ng mga alon ng ultratunog mula sa kanilang mga ilong upang matukoy ang kanilang lokasyon sa dilim at para din sa komunikasyon.

Ang mga hayop na ito ay may mga sensor na kung saan natatanggap nila ang mga sumasalamin na alon at sa paanuman bigyang kahulugan ang oras ng pagkaantala sa pagitan ng napalabas na alon at ang nakalarawan na alon at ang mga pagkakaiba sa kanilang dalas at kasidhian. Sa mga datos na ito infer nila ang distansya na kanilang nilakbay, at sa paraang ito alam nila kung nasaan ang mga insekto at lumipad sa pagitan ng mga kulungan ng mga kuweba na kanilang pinanahanan.

Ang mga mammal sa dagat tulad ng mga balyena at dolphin ay may katulad na sistema: mayroon silang dalubhasang mga organo na puno ng taba sa kanilang mga ulo, kung saan naglalabas sila ng mga tunog, at mga kaukulang sensor sa kanilang mga panga na nakakakita ng nakalantad na tunog. Ang sistemang ito ay kilala bilang echolocation.

Intensity

Ang intensity ng tunog ng tunog ay tinukoy bilang ang enerhiya na naipadala sa bawat yunit ng oras at bawat yunit ng lugar. Ang lakas ng bawat yunit ng yunit ay kapangyarihan. Samakatuwid ang intensity ng tunog ay ang lakas ng bawat unit area at nagmumula sa watt / m ² o W / m ² . Naririnig ng tainga ng tao ang tindi ng alon bilang lakas ng tunog: mas malakas ang musika, mas malakas ito.

Ang tainga ay nakakita ng mga intensidad sa pagitan ng 10 ^-12 at 1 W / m ^{2 nang} walang pakiramdam ng sakit, ngunit ang relasyon sa pagitan ng intensity at napapansin na dami ay hindi magkakasunod. Upang makabuo ng isang tunog na may dalawang beses ang lakas ng tunog ay nangangailangan ng isang alon na may 10 beses na higit pang intensity.

Ang antas ng tunog intensity ay isang kamag-anak na intensity na sinusukat sa isang logarithmic scale, kung saan ang yunit ay ang bel at mas madalas ang decibel o decibel.

Ang antas ng tunog intensity ay ipinapahiwatig bilang β at ibinibigay sa mga decibels ng:

β = 10 log (I / I _o )

Kung saan ako ang tindi ng tunog at ako _o ay isang antas ng sanggunian na kinuha bilang ang threshold ng pakikinig sa 1 x 10 ^-12 W / m ² .

Mga praktikal na eksperimento para sa mga bata

Maraming matututunan ang mga bata tungkol sa mga mechanical waves habang nagsasaya. Narito ang ilang mga simpleng eksperimento upang makita kung paano ang mga alon ay nagpapadala ng enerhiya, na maaaring magamit.

-Experiment 1: Intercom

materyales

- 2 plastic tasa na ang taas ay mas malaki kaysa sa diameter.

- Sa pagitan ng 5 at 10 metro ng malakas na wire.

Isinasagawa

Pataas ang base ng baso upang maipasa ang thread sa kanila at mai-secure ito ng isang buhol sa bawat dulo upang ang thread ay hindi bumaba.

- Ang bawat manlalaro ay tumatagal ng isang baso at naglalakad sila palayo sa isang tuwid na linya, tinitiyak na ang thread ay nananatiling nakatapis.

- Ang isa sa mga manlalaro ay gumagamit ng kanyang baso bilang isang mikropono at nakikipag-usap sa kanyang kapareha, na siyempre ay dapat ilagay ang kanyang baso sa kanyang tainga upang makinig. Hindi na kailangang sumigaw.

Mapapansin agad ng nakikinig na ang tunog ng tinig ng kanyang kapareha ay ipinapasa sa pamamagitan ng taut thread. Kung ang thread ay hindi nakatali, ang tinig ng iyong kaibigan ay hindi maririnig nang malinaw. Hindi mo rin maririnig ang anumang bagay kung inilagay mo ang thread nang direkta sa iyong tainga, ang baso ay kinakailangan upang makinig.

Pagpapaliwanag

Alam namin mula sa mga nakaraang seksyon na ang pag-igting sa string ay nakakaapekto sa bilis ng alon. Ang paghahatid ay nakasalalay din sa materyal at diameter ng mga vessel. Kapag nagsasalita ang kasosyo, ang enerhiya ng kanyang tinig ay ipinapadala sa hangin (paayon na alon), mula roon hanggang sa ilalim ng baso at pagkatapos ay bilang isang nakahalang alon sa pamamagitan ng thread.

Ang thread ay nagpapadala ng alon sa ilalim ng daluyan ng nakikinig, na nag-vibrate. Ang panginginig ng boses na ito ay ipinapadala sa hangin at napapansin ng eardrum at binibigyang kahulugan ng utak.

-Experiment 2: Pagmamasid sa mga alon

Isinasagawa

Isang malabo, ang nababaluktot na helical spring na kung saan maaaring mabuo ang iba't ibang uri ng alon, ay namamalagi sa isang mesa o patag na ibabaw.

Larawan 6. Helical spring upang i-play sa, na kilala bilang isang malabo. Pinagmulan: Pixabay.

Paayon alon

Ang mga dulo ay gaganapin, isa sa bawat kamay. Ang isang maliit na pahalang na salpok ay inilalapat sa isang dulo at isang pulso ay sinusunod upang palaganapin sa tagsibol.

Maaari mo ring ilagay ang isang dulo ng slinky na naayos sa isang suporta o hilingin sa isang kasosyo na hawakan ito, sapat na ito. Sa ganitong paraan may mas maraming oras upang obserbahan kung paano sumusunod ang mga compression at pagpapalawak sa isa't isa sa pagpapalaganap mula sa isang dulo ng tagsibol hanggang sa iba pang mabilis, tulad ng inilarawan sa nakaraang mga seksyon.

Transverse alon

Ang slinky ay gaganapin din sa isang dulo, na lumawak ito ng sapat. Ang libreng pagtatapos ay binibigyan ng kaunting pag-iling sa pamamagitan ng pag-iling nito at pababa. Ang sinusoidal pulso ay sinusunod na maglakbay kasama ang tagsibol at likuran.

Mga Sanggunian

1. Giancoli, D. (2006). Pisika: Mga Prinsipyo na may aplikasyon. Ika-anim na Edisyon. Prentice Hall. 308- 336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Konsepto na Pang-agham na Agham. Ikalimang Edisyon. Pearson. 239-244.
3. Rex, A. (2011). Mga Batayan ng Pisika. Pearson. 263-273.