Вълни по въжето и във въздуха

Вълната пренася трептене, не вещество

Разклати края на въже. По въжето тръгва вълна: гърбица, после падина, после пак гърбица. Всяка точка от въжето трепти нагоре и надолу и остава на мястото си. По въжето пътува само трептенето.

Поплавък във вълнуващо се езеро също се люлее нагоре и надолу и не отплава с вълната. Затова вълната пренася енергия, а не вещество.

Скорост, честота и дължина на вълната

• Честотата ν е колко пъти в секунда ръката отива нагоре и надолу. Мери се в херци (Hz).
• Периодът T е времето за едно трептене: T = 1/ν.
• Дължината на вълната λ е разстоянието между две съседни гърбици (в метри).

Скоростта на вълната е u = λ·ν. Ако знаеш две от величините, смяташ третата.

Най-важното: скоростта на вълната я определя средата — за въжето това са самото въже и опъването му. Разклащането не я променя:

• по-силното разклащане (по-голям размах) прави по-високи гърбици, но не по-бърза вълна;
• по-честото разклащане прави по-къси вълни, а скоростта остава същата;
• по-силното опъване и по-лекото въже правят вълната по-бърза.

Две различни скорости

Червената частица на въжето се движи нагоре и надолу. Тази скорост не е скоростта на вълната: тя е напряко на въжето и се променя — най-голяма е, когато частицата минава през равновесното положение, и е нула най-горе и най-долу. Скоростта на вълната е по въжето и е постоянна.

Звукът е надлъжна вълна

При напречната вълна (въже) частиците трептят напряко на посоката на вълната. При надлъжната вълна (звук) те трептят напред и назад по посоката на вълната, като образуват гъсти и редки места. Звукът има нужда от среда. В празното пространство няма частици, които да го предадат, затова там няма звук.

Скоростта на звука зависи от средата, не от височината и не от силата му:

• във въздух с температура 20 °C — около 343 m/s;
• във въздух с температура 0 °C — около 331 m/s;
• във вода — около 1481 m/s;
• в стомана — около 5900 m/s.

Нотата 440 Hz във въздуха има дължина на вълната около 0,78 m, а в стоманата — около 13,4 m.

Височина, ниво и тембър

• Височината на тона зависи от честотата: по-висока честота — по-висок тон.
• Интензитетът I е енергията, която минава за секунда през един квадратен метър: I = E/(S·t). Мери се във W/m².
• Нивото на интензитета се показва от шумомера в децибели (dB). То не е право пропорционално на интензитета: +10 dB значи 10 пъти по-голям интензитет, +20 dB — 100 пъти.
• Тембърът е формата на звука: един и същ тон от цигулка и от флейта звучи различно, въпреки че честотата и нивото са еднакви.

Затова 60 dB не е два пъти по-силно от 30 dB: интензитетът е 1000 пъти по-голям. И високият тон не е непременно силен: височината и нивото са две различни неща.

Какво чуваме

Човешкото ухо чува звуци с честоти от около 20 до 20 000 Hz. С възрастта най-високите звуци се чуват все по-трудно.

• Под 20 Hz е инфразвук. Ползват го слоновете и китовете, за да си говорят на големи разстояния; създават го и земетресенията, вулканите и вятърните турбини.
• Над 20 000 Hz е ултразвук. С него прилепите и морските свине се ориентират и ловуват; ползват го сонарът, медицинските изследвания и ултразвуковото почистване.

Пази слуха си. Нивото в симулацията е на измисления източник, не на високоговорителя на компютъра ти. В живота звук над около 85 dB, слушан дълго, може да увреди слуха. Намали силата на слушалките, отдалечи се от силния източник, ползвай тапи за уши на концерт и давай почивка на ушите. Ако трябва да викаш, за да те чуят, шумът е вреден.

Земетресенията са вълни

Земетресението тръгва от огнище под земята. Първо идва по-бързата надлъжна вълна, после по-бавната напречна. Напречната вълна не минава през течности — така учените са разбрали, че външното ядро на Земята е течно.

Сеизмографът записва първо малки, после големи трептения. По закъснението между двете вълни се оценява разстоянието до огнището: приблизително 8 километра за всяка секунда закъснение. Скоростта и времето се свързват със същата формула като при всяко движение: s = v·t.

Какво правя при земетресение? Запази спокойствие. Ако не можеш да излезеш навън за около 10 секунди, остани вътре: скрий се под здрава маса или чин или застани до вътрешна стена, далеч от прозорци, и покрий главата и врата си с ръце. Не ползвай асансьор и не стой на балкон или стълбище. Навън се отдалечи от сгради, стълбове, дървета и електропроводи. След труса внимавай за нови трусове и не се връщай в повредена сграда. При нужда се обади на 112. Попитай учителя си и какво е правилото за евакуация в твоето училище.

За любопитните: два импулса

Когато два импулса се срещнат, отклоненията им се събират. Импулс нагоре и импулс надолу със същия размах за миг оставят въжето право — но частиците се движат. След това двата импулса продължават непроменени, сякаш нищо не е станало. Импулсите не се блъскат като топки и не се унищожават.

Когато импулс стигне до край на въжето, той се отразява. От здраво вързания край се връща обърнат, а от свободния (халка на прът) — изправен.

Какво опростихме

• Въжето е идеално: вълната не отслабва по пътя си. В истинско въже размахът постепенно намалява.
• Моделът е за полегати вълни. Ако вълната стане твърде стръмна за толкова къса дължина, симулацията намалява размаха.
• Скоростите по въжето в симулацията са избрани така, че да се виждат добре. Истинско въже, опънато от ученик, може да е по-бързо.
• Картината на звука е забавена: истинските трептения са прекалено бързи за окото. Числата обаче — скорост, честота и дължина на вълната — са истински.
• Земетресението е схема с две постоянни скорости на вълните и права линия от огнището до станцията.