физика для чайников. Состоит из трёх основных частей кинематики, динамики и статики
 Скачать 83.32 Kb.
|
|
Вкратце и поумнее: механические колебания - это повторяющиеся отклонения тела от положения равновесия в разные стороны. Период колебаний - минимальное время, за которое тело возвращается в первоначальное положение (совершает одно полное колебание). Частота - количество полных колебаний в секунду. Гармонические колебания - колебания, при которых некая физическая величина изменяется во времени по закону синуса или косинуса: x = x0*sin(wt+ф), x0 - амплитуда (максимальное отклонение тела от положения равновесия), w - циклическая частота (2пи*частота), ф - начальная фаза (для простоты её принимают равной нулю), аргумент синуса называется фазой. Свободные колебания - колебания, происходящие без участия внешних сил (как вариант - поддерживающиеся сами собой, хотя это и не очень точно). При гармонических колебаниях груза на пружине (пружина деформируется по закону Гука, трением можно пренебречь) период равен 2пи*корень квадратный из (m/k), где m - масса груза, k - жёсткость пружины. При гармонических колебаниях математического маятника (массивный груз на длинной нерастяжимой невесомой нити) период составляет 2пи*корень квадратный из (l/g), l - длина нити, g - ускорение свободного падения. Затухающие колебания - колебания, амплитуда которых со временем уменьшается за счёт потерь энергии в системе. Вынужденные колебания - колебания, которые происходят за счёт периодического воздействия внешней силы. Резонанс - явление увеличения амплитуды вынужденных колебаний при совпадении собственной частоты, с которой колеблется система, с частотой воздействия внешней силы. Медленно, но верно подбираемся к самому последнему здесь. Математика вся позади, остались только слова. Волны. Это что-то, похожее на колебания, только колебания происходят с каким-то телом около какого-то положения, а волна распространяется в пространстве, и тела для своего распространения не требует. Если точно, то волна - это периодический процесс, распространяющийся в пространстве. Тоже характеризуется частотой (волны и секунды не слишком любят друг друга, термин "период" для волн не используют - в основном из-за того, что он мал у тех волн, что чаще всего рассматривают) и, кроме этого, есть скорость распространения волны. Их разделяют по нескольким признакам, основные из них: по признаку распространения, по геометрии распространения и плоскости распространения. Волна бывает - соответственно: бегущей или стоячей; плоской, сферической или спиральной; продольной или поперечной. О втором пункте будет отдельный разговор, о нём пока подзабудем. Бегущая волна - это значит, что, грубо говоря, на пути её нет каких-либо препятствий, от которых она отразится или которые заставят её погаснуть. Стоячая - если на её пути такие препятствия есть, от этого она может отразиться обратно и как бы складывается со своим "хвостом", который нагоняет её сзади. В жизни бегущая волна - это волна на воде, стоячая - волна, возникающая при колебаниях струны музыкального инструмента. Бежит в одну сторону, ударяется о струнодержатель, поворачивает обратно, попутно складывается со своим "хвостом", идущим следом, и на другом конце происходит то же самое, всё это распространяется по всей струне, получается непонятная каша, из которой каким-то макаром выходит звук. Звук, - это, кстати, тоже механическая волна, но о нём чуть-чуть попозже. Продольная волна - это значит, что то, что колеблется (образует собой волну), колеблется параллельно тому направлению, в котором эта волна идёт. Пример - тот же звук: крикнул прямо по курсу - там (прямо) тебя и услышат, а не слева или справа. Поперечная волна - это если колеблется перпендикулярно направлению, в котором волна идёт. Здесь примеров много, но они все плохо понятные. Самый яркий (и, наверное, самый понятный) из них - это волна на воде. Вода поднимается и опускается вверх-вниз, но волна при этом идёт вперёд (или назад, если на неё удаётся залезть и переплыть). Вот, кстати, этот же гребень волны - или её ложбину, неважно - можно условно обозначить как её "голову" и заявить, что именно с этого участка волна идёт вперёд, оставляя за собой колебания. Такой участок по-умному называется фронтом волны и строго описывается как "геометрическое место точек, имеющих одинаковую фазу колебаний". То есть все эти умные слова означают одно: участок волны, в котором все колеблющиеся находятся, держась за руки друг с другом, в одной и той же стадии колебания, и есть фронт. Опять непонятно? Ну хорошо, вот снова возьмём волну на воде. Кинули камень, и от него пошли круги. Вот этот круг и есть фронт нашей волны. Он бежит вперёд, постепенно расширяясь и оставляя за собой колебания - другие круги, каждый из которых, в свою очередь, повторяет действия первопроходца. Вот как-то так. И именно по форме фронта можно тоже разделить волны - та, что на воде, это сферическая (круги идут и вглубь тоже!), а если бы волна пошла сплошняком, "стеной", прямо (и также поднимала за собой бы только прямые "стены", параллельные себе) - это была бы плоская волна. Увы, но более-менее наглядных примеров плоской волны на глаза не попадается. Спиральная волна? Выкинуть это из головы. В школе самое большое, что про неё должны спросить, - а существует ли вообще такая. Ответ - да. Всё. Нагрузил по самое "не могу"? Спокойно. Страшные термины позади, теперь осталось самое простое. Три цифры, подсчёт которых не проще школьной формулы s=v*t. Частота волны, длина волны и скорость волны. Частота - логика подсказывает, что это то количество колебаний, которое волна делает в секунду. Единственная поправка здесь - поскольку волна идёт туды-сюды, мы как бы хватаем её за одну точку и смотрим, сколько в ней раз она будет колебаться (в остальных будет так же). Тоже меряется в тех же герцах. Длина волны - тоже логика подсказывает, что это то расстояние, за которое колеблющаяся точка вернётся в то же самое положение. По-умному - это минимальное расстояние между двумя фронтами волны. Обозначается буквой "лямбда". Да, та самая, которую создатели одной (сами знаете, какой) игрушки обозвали периодом полураспада. Лямбдой обозначают длину волны! Измеряется в метрах. О периоде полураспада если разговор и будет, то в самом-самом конце. Ну а скорость, как уже можно догадаться, - это скорость распространения этого самого фронта волны. Ну и отсюда получаем: v = лямбда * ню. v - скорость волны, лямбда - длина волны, ню - частота (пишется почти как v, поэтому пишу русскими буквами, дабы не путать). Выходим на финишную прямую! Остался лишь один звук. В широком и заумном смысле - это механические колебания частиц и давления, распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твёрдых телах. Сам не понял, что написал. В узком смысле - это механические колебания, частота которых составляет от примерно 16 Гц до 20 кГц (килогерц, то есть 20 000 Гц), которые воспринимает слуховой аппарат человека. Три его основных характеристики: скорость, громкость и высота. Скорость, поскольку звук - это волна, ничем не отличается от скорости другой волны. Вообще говоря, она зависит от среды (ну уж точно не от понедельника или четверга), в которой звук распространяется. Чем плотнее среда, тем больше скорость. В воздухе это примерно 331 км/с, в воде - 1348 км/с (если вода идеально чистая; если она тёплая, солёная или на большей глубине - скорость будет расти), в твёрдом теле звук распространяется ещё быстрее и сложнее - там появляются ещё поперечные звуковые волны, с которыми мне совершенно не хочется никого знакомить. Громкость звука в основном зависит от его амплитуды, ну а высота - от частоты. Выше частота - выше звук. (В музыкальных инструментах получается как раз от колебаний струны - но, как сильно струну ни дёргай, звук будет тихим - с малой амплитудой. Для того чтобы его стало слышно лучше, используется резонанс: так, в акустических гитарах это специальное отверстие, вырезанное в корпусе, размеры его специально рассчитаны так, чтобы звук, зайдя внутрь (а внутрь он зайдёт обязательно - он распространяется во все стороны!), стал поддерживать сам себя - то есть получается, что звук усиливается оттого, что частота его колебаний поддерживается им же - именно поэтому вступает в силу резонанс, и звук становится громче. В электрической гитаре хитрее: там используется несколько "звукоснимателей", "слышащих" струну каждый на отдельном её участке, эти звукосниматели превращают звук в электрический сигнал, который потом усиливается "начинкой" специального усилителя, после чего все полученные электрические сигналы складываются и превращаются обратно в звук - получаем то, что слышим из динамика. Именно из-за этого электрического преобразования электрогитара может звучать совершенно по-разному, от мягкого джаза до какого-нибущь жесточайшего punk-metal-death-hardcore.) Ну и на закуску: те звуковые волны, что по частоте ниже тех, что мы слышим (0...20 Гц) - это инфразвук, выше 20 кГц - ультразвук. Ни то, ни другое мы не слышим, но воспринимать говорят, что можем. А некоторые животные слышат их, но глухи к некоторым нашим звукам. Вот такие дела. Вкратце и поумнее: волна - это периодический процесс, распространяющийся в пространстве. Характеризуется частотой, длиной волны и скоростью. Признаки, по которым делят волны: по признаку распространения, по плоскости распространения, по геометрии распространения, соответственно: бегущая/стоячая, продольная/поперечная, плоская/сферическая/спиральная. Фронт волны - линия или поверхность, образованная частицами, колеблющимися в одной и той же фазе. Частота волны - количество полных колебаний в единицу времени (секунду), которые совершаются в той или иной точке пространства. Единица измерения - герц. Длина волны - минимальное расстояние между фронтами волны. Единица измерения - метр. Скорость волны - скорость распространения фронта волны. Единица измерения - метр в секунду. Звук в широком смысле - это механические колебания частиц и давления, распространяющиеся в упругих средах, газах, жидкостях и твёрдых телах, в узком смысле - механические колебания с частотой от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые слуховым аппаратом человека. Скорость звука зависит от среды распространения - чем плотнее среда, тем выше скорость (в воздухе - 331 км/с, в воде - 1348 км/с), громкость зависит от амплитуды звука (чем больше - тем громче), высота - от частоты (чем больше - тем выше). |