Onde meccaniche trasversali. Onde

Con onde di qualsiasi origine, in determinate condizioni, si possono osservare i quattro fenomeni elencati di seguito, che prenderemo in considerazione utilizzando l'esempio delle onde sonore nell'aria e delle onde sulla superficie dell'acqua.

Riflessione delle onde. Facciamo un esperimento con un generatore di corrente a frequenza audio a cui è collegato un altoparlante (altoparlante), come mostrato in Fig. "UN". Sentiremo un fischio. All'altra estremità del tavolo posizioneremo un microfono collegato ad un oscilloscopio. Poiché sullo schermo appare una sinusoide di bassa ampiezza, significa che il microfono percepisce un suono debole.

Posizioniamo ora la scacchiera sopra il tavolo, come mostrato in Fig. “b”. Poiché l'ampiezza sullo schermo dell'oscilloscopio è aumentata, il suono che raggiunge il microfono è diventato più forte. Questo e molti altri esperimenti lo suggeriscono Le onde meccaniche di qualsiasi origine hanno la capacità di essere riflesse dall'interfaccia tra due mezzi.

Rifrazione delle onde. Passiamo all'immagine, che mostra le onde che si infrangono sulle secche costiere (vista dall'alto). La spiaggia sabbiosa è raffigurata in grigio-giallo e la parte profonda del mare è blu. Tra di loro c'è un banco di sabbia - acque poco profonde.

Le onde che viaggiano in acque profonde viaggiano nella direzione della freccia rossa. Nel punto in cui l'onda si incaglia, si rifrange, cioè cambia la direzione di propagazione. Pertanto, la freccia blu che indica la nuova direzione di propagazione delle onde è posizionata diversamente.

Questa e molte altre osservazioni lo dimostrano Le onde meccaniche di qualsiasi origine possono essere rifratte quando cambiano le condizioni di propagazione, ad esempio all'interfaccia tra due mezzi.

Diffrazione delle onde. Tradotto dal latino, “diffractus” significa “rotto”. Nella fisica La diffrazione è la deviazione delle onde dalla propagazione rettilinea nello stesso mezzo, portandole a piegarsi attorno agli ostacoli.

Ora osserva un altro modello di onde sulla superficie del mare (vista dalla riva). Le onde che corrono verso di noi da lontano sono oscurate da un grande scoglio sulla sinistra, ma allo stesso tempo lo circondano parzialmente. Lo scoglio più piccolo a destra non costituisce affatto una barriera per le onde: lo aggirano completamente, diffondendosi nella stessa direzione.

Gli esperimenti lo dimostrano La diffrazione si manifesta più chiaramente se la lunghezza dell'onda incidente è maggiore della dimensione dell'ostacolo. Dietro di lui l'onda si allarga come se non ci fossero ostacoli.

Interferenza delle onde. Abbiamo esaminato i fenomeni legati alla propagazione di una singola onda: riflessione, rifrazione e diffrazione. Consideriamo ora la propagazione con due o più onde sovrapposte tra loro: fenomeno dell'interferenza(dal latino “inter” - reciprocamente e “ferio” - colpisco). Studiamo sperimentalmente questo fenomeno.

Collegheremo due altoparlanti collegati in parallelo al generatore di corrente di audiofrequenza. Il ricevitore del suono, come nel primo esperimento, sarà un microfono collegato ad un oscilloscopio.

Iniziamo a spostare il microfono verso destra. L'oscilloscopio mostrerà che il suono diventa sempre più debole e più forte, nonostante il microfono si allontani dagli altoparlanti. Riportiamo il microfono sulla linea centrale tra gli altoparlanti, quindi spostiamolo a sinistra, allontanandolo nuovamente dagli altoparlanti. L'oscilloscopio ci mostrerà nuovamente l'indebolimento e il rafforzamento del suono.

Questo e molti altri esperimenti lo dimostrano in uno spazio in cui si propagano più onde, la loro interferenza può portare alla comparsa di regioni alternate con amplificazione e indebolimento delle oscillazioni.

Processo ondulatorio- il processo di trasferimento di energia senza trasferimento di materia.

Onda meccanica- un disturbo che si propaga in un mezzo elastico.

La presenza di un mezzo elastico è una condizione necessaria per la propagazione delle onde meccaniche.

Il trasferimento di energia e quantità di moto in un mezzo avviene a seguito dell'interazione tra particelle vicine del mezzo.

Le onde sono longitudinali e trasversali.

L'onda meccanica longitudinale è un'onda in cui il movimento delle particelle del mezzo avviene nella direzione di propagazione dell'onda. Un'onda meccanica trasversale è un'onda in cui le particelle del mezzo si muovono perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda.

Le onde longitudinali possono propagarsi in qualsiasi mezzo. Le onde trasversali non si verificano nei gas e nei liquidi, poiché in essi

non ci sono posizioni fisse delle particelle.

L'influenza esterna periodica provoca onde periodiche.

Onda armonica- un'onda generata da vibrazioni armoniche di particelle del mezzo.

Lunghezza d'onda- la distanza su cui si propaga l'onda durante il periodo di oscillazione della sua sorgente:

Velocità dell'onda meccanica- velocità di propagazione del disturbo nel mezzo. La polarizzazione è l'ordinamento delle direzioni delle vibrazioni delle particelle in un mezzo.

Piano di polarizzazione- il piano in cui vibrano nell'onda le particelle del mezzo. Un'onda meccanica polarizzata linearmente è un'onda le cui particelle oscillano lungo una determinata direzione (linea).

Polarizzatore- un dispositivo che emette un'onda di una certa polarizzazione.

onda stazionaria- un'onda formata come risultato della sovrapposizione di due onde armoniche che si propagano l'una verso l'altra e aventi lo stesso periodo, ampiezza e polarizzazione.

Antinodi di un'onda stazionaria- posizione dei punti con massima ampiezza di oscillazioni.

Nodi delle onde stazionarie- punti d'onda immobili la cui ampiezza di oscillazione è zero.

Sulla lunghezza l della corda, fissata alle estremità, si adatta un numero intero n semionde di onde stazionarie trasversali:

Tali onde sono chiamate modi di oscillazione.

La modalità di vibrazione per un intero arbitrario n > 1 è chiamata n-esima armonica o n-esima sovratona. Il modo di vibrazione per n = 1 è chiamato modo di vibrazione della prima armonica o fondamentale. Le onde sonore sono onde elastiche in un mezzo che provocano sensazioni uditive negli esseri umani.

La frequenza delle vibrazioni corrispondenti alle onde sonore varia da 16 Hz a 20 kHz.

La velocità di propagazione delle onde sonore è determinata dalla velocità di trasmissione delle interazioni tra le particelle. La velocità del suono in un solido vp è, di regola, maggiore della velocità del suono in un liquido vg, che, a sua volta, supera la velocità del suono in un gas vg.

I segnali sonori sono classificati per altezza, timbro e volume. L'altezza di un suono è determinata dalla frequenza della sorgente delle vibrazioni sonore. Maggiore è la frequenza di vibrazione, più alto è il suono; le vibrazioni delle basse frequenze corrispondono ai suoni bassi. Il timbro di un suono è determinato dalla forma delle vibrazioni sonore. La differenza nella forma delle vibrazioni aventi lo stesso periodo è associata a diverse ampiezze relative del modo fondamentale e dell'armonico. Il volume di un suono è caratterizzato dal livello di intensità del suono. L'intensità del suono è l'energia delle onde sonore che incidono su un'area di 1 m2 in 1 s.

§ 1.7. Onde meccaniche

Le oscillazioni di una sostanza o di un campo che si propaga nello spazio sono chiamate onde. Le vibrazioni della materia generano onde elastiche (un caso particolare è il suono).

Onda meccanicaè la propagazione delle vibrazioni delle particelle in un mezzo nel tempo.

Le onde si propagano in un mezzo continuo a causa delle interazioni tra le particelle. Se una particella entra in movimento oscillatorio, a causa dell'accoppiamento elastico, questo movimento viene trasmesso alle particelle vicine e l'onda si propaga. In questo caso, le particelle oscillanti stesse non si muovono insieme all'onda, ma esitare vicino al loro posizioni di equilibrio.

Onde longitudinali– si tratta di onde in cui la direzione di oscillazione delle particelle x coincide con la direzione di propagazione dell'onda . Le onde longitudinali si propagano nei gas, nei liquidi e nei solidi.

P
onde operistiche– si tratta di onde in cui la direzione di vibrazione delle particelle è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda . Le onde trasversali si propagano solo nei mezzi solidi.

Le onde hanno una doppia periodicità: nel tempo e nello spazio. Periodicità nel tempo significa che ciascuna particella del mezzo oscilla attorno alla sua posizione di equilibrio, e questo movimento si ripete con un periodo di oscillazione T. Periodicità nello spazio significa che il movimento oscillatorio delle particelle del mezzo si ripete a determinate distanze tra loro.

La periodicità del processo ondoso nello spazio è caratterizzata da una quantità chiamata lunghezza d'onda e denotata .

La lunghezza d'onda è la distanza sulla quale un'onda si propaga in un mezzo durante un periodo di oscillazione delle particelle .

Da qui
, Dove - periodo di oscillazioni delle particelle, - frequenza di oscillazione, - la velocità di propagazione delle onde, a seconda delle proprietà del mezzo.

A Come scrivere l'equazione delle onde? Lasciamo che un pezzo di corda situato nel punto O (sorgente d'onda) oscilli secondo la legge del coseno

Sia situato un certo punto B a una distanza x dalla sorgente (punto O). ci vuole tempo perché un'onda che si propaga con velocità v lo raggiunga
. Ciò significa che nel punto B le oscillazioni inizieranno più tardi
. Questo è. Dopo aver sostituito l'espressione for
e una serie di trasformazioni matematiche, otteniamo

,
. Introduciamo la notazione:
. Poi. A causa dell'arbitrarietà della scelta del punto B, questa equazione sarà l'equazione dell'onda piana desiderata
.

L'espressione sotto il segno coseno è chiamata fase d'onda
.

E Se due punti si trovano a distanze diverse dalla sorgente dell'onda, le loro fasi saranno diverse. Ad esempio, le fasi dei punti B e C situati a distanze E dalla sorgente d'onda saranno rispettivamente uguali

La differenza nelle fasi delle oscillazioni che si verificano nel punto B e nel punto C sarà denotata da
e sarà uguale

In questi casi, si dice che c'è uno sfasamento Δφ tra le oscillazioni che si verificano nei punti B e C. Si dice che le oscillazioni nei punti B e C avvengano in fase se
. Se
, allora le oscillazioni nei punti B e C avvengono in antifase. In tutti gli altri casi si ha semplicemente uno sfasamento.

Il concetto di “lunghezza d’onda” può essere definito diversamente:

Pertanto k è chiamato numero d'onda.

Abbiamo introdotto la notazione
e lo ha dimostrato
. Poi

.

La lunghezza d'onda è il percorso percorso da un'onda durante un periodo di oscillazione.

Definiamo due concetti importanti nella teoria delle onde.

superficie dell'ondaè il luogo geometrico dei punti del mezzo che oscillano nella stessa fase. La superficie dell'onda può passare per qualsiasi punto del mezzo, quindi ce ne sono infiniti.

Le superfici delle onde possono avere qualsiasi forma, e nel caso più semplice sono un insieme di piani (se la sorgente delle onde è un piano infinito), paralleli tra loro, oppure un insieme di sfere concentriche (se la sorgente delle onde è un piano infinito) è un punto).

Fronte d'onda(fronte d'onda) – la posizione geometrica dei punti a cui arrivano le oscillazioni in un dato momento . Il fronte d'onda separa la parte di spazio interessata dal processo ondoso dalla regione dove non si sono ancora verificate oscillazioni. Pertanto, il fronte d'onda è una delle superfici d'onda. Separa due regioni: 1 – che l'onda ha raggiunto al tempo t, 2 – non ha raggiunto.

C'è un solo fronte d'onda in ogni momento del tempo e si muove continuamente, mentre le superfici d'onda rimangono immobili (passano attraverso le posizioni di equilibrio delle particelle che oscillano nella stessa fase).

Onda pianaè un'onda in cui le superfici dell'onda (e il fronte d'onda) sono piani paralleli.

Onda sfericaè un'onda le cui superfici d'onda sono sfere concentriche. Equazione delle onde sferiche:
.

Ciascun punto del mezzo, raggiunto da due o più onde, prenderà parte alle oscillazioni provocate da ciascuna onda separatamente. Quale sarà la fluttuazione risultante? Ciò dipende da una serie di fattori, in particolare dalle proprietà dell'ambiente. Se le proprietà del mezzo non cambiano a causa del processo di propagazione delle onde, il mezzo viene chiamato lineare. L'esperienza dimostra che in un mezzo lineare le onde si propagano indipendentemente l'una dall'altra. Considereremo le onde solo nei mezzi lineari. Quale sarà l'oscillazione del punto raggiunto da due onde contemporaneamente? Per rispondere a questa domanda è necessario capire come trovare l'ampiezza e la fase dell'oscillazione causata da questa doppia influenza. Per determinare l'ampiezza e la fase dell'oscillazione risultante, è necessario trovare gli spostamenti causati da ciascuna onda e poi sommarli. Come? Geometricamente!

Il principio di sovrapposizione (sovrapposizione) delle onde: quando più onde si propagano in un mezzo lineare, ciascuna di esse si propaga come se le altre onde fossero assenti, e lo spostamento risultante di una particella del mezzo in ogni momento è uguale alla somma geometrica di gli spostamenti che le particelle ricevono partecipando a ciascuna delle componenti dei processi ondulatori.

Un concetto importante della teoria delle onde è il concetto coerenza: occorrenza coordinata nel tempo e nello spazio di diversi processi oscillatori o ondulatori. Se la differenza di fase delle onde che arrivano al punto di osservazione non dipende dal tempo, vengono chiamate tali onde coerente. Ovviamente solo le onde che hanno la stessa frequenza possono essere coerenti.

R Consideriamo quale sarà il risultato della somma di due onde coerenti che arrivano in un certo punto dello spazio (punto di osservazione) B. Per semplificare i calcoli matematici, assumeremo che le onde emesse dalle sorgenti S 1 e S 2 abbiano il stessa ampiezza e fasi iniziali sono pari a zero. Nel punto di osservazione (nel punto B), le onde provenienti dalle sorgenti S 1 e S 2 causeranno vibrazioni delle particelle del mezzo:
E
. Troviamo l'oscillazione risultante nel punto B come somma.

Tipicamente, l'ampiezza e la fase dell'oscillazione risultante che si verifica nel punto di osservazione vengono trovate utilizzando il metodo del diagramma vettoriale, rappresentando ciascuna oscillazione come un vettore rotante con una velocità angolare ω. La lunghezza del vettore è uguale all'ampiezza dell'oscillazione. Inizialmente, questo vettore forma un angolo con la direzione selezionata uguale alla fase iniziale delle oscillazioni. Quindi l'ampiezza dell'oscillazione risultante è determinata dalla formula.

Nel nostro caso di somma di due oscillazioni con ampiezze
,
e fasi
,

.

Di conseguenza, l'ampiezza delle oscillazioni che si verificano nel punto B dipende dalla differenza dei percorsi
attraversato da ciascuna onda separatamente dalla sorgente al punto di osservazione (
– differenza nel percorso delle onde che arrivano al punto di osservazione). I minimi o i massimi di interferenza possono essere osservati in quei punti per i quali
. E questa è l'equazione di un'iperbole con fuochi nei punti S 1 e S 2.

In quei punti dello spazio per i quali
, l'ampiezza delle oscillazioni risultanti sarà massima e uguale a
. Perché
, quindi l'ampiezza delle oscillazioni sarà massima in quei punti per i quali.

in quei punti dello spazio per i quali
, l'ampiezza delle oscillazioni risultanti sarà minima e pari a
.l'ampiezza delle oscillazioni sarà minima in quei punti per i quali .

Il fenomeno della ridistribuzione dell'energia risultante dalla somma di un numero finito di onde coerenti è chiamato interferenza.

Il fenomeno delle onde che si piegano attorno agli ostacoli è chiamato diffrazione.

A volte la diffrazione è chiamata qualsiasi deviazione della propagazione delle onde vicino agli ostacoli dalle leggi dell'ottica geometrica (se la dimensione degli ostacoli è commisurata alla lunghezza d'onda).

B
Grazie alla diffrazione, le onde possono cadere nella regione di un'ombra geometrica, aggirare ostacoli, penetrare attraverso piccoli fori negli schermi, ecc. Come spiegare l'ingresso delle onde nella regione dell'ombra geometrica? Il fenomeno della diffrazione può essere spiegato utilizzando il principio di Huygens: ogni punto raggiunto da un'onda è una sorgente di onde secondarie (in un mezzo sferico omogeneo), e l'inviluppo di queste onde determina la posizione del fronte d'onda nell'istante successivo in tempo.

Inserisci dalle interferenze luminose vedi cosa potrebbe essere utile

Onda chiamato il processo di propagazione delle vibrazioni nello spazio.

superficie dell'onda- questa è la posizione geometrica dei punti in cui si verificano le oscillazioni nella stessa fase.

Fronte d'ondaè il luogo geometrico dei punti raggiunti da un'onda in un determinato punto nel tempo T. Il fronte d'onda separa la parte di spazio interessata dal processo ondoso dalla zona dove non si sono ancora manifestate oscillazioni.

Per una sorgente puntiforme, il fronte d'onda è una superficie sferica centrata nella posizione della sorgente S. 1, 2, 3 - superfici ondulate; 1 - fronte d'onda. Equazione di un'onda sferica che si propaga lungo un raggio proveniente da una sorgente: . Qui - velocità di propagazione delle onde, - lunghezza d'onda; UN- ampiezza delle oscillazioni; - frequenza circolare (ciclica) delle oscillazioni; - spostamento dalla posizione di equilibrio di un punto situato a distanza da una sorgente puntiforme al tempo t.

Onda pianaè un'onda con un fronte d'onda piano. Equazione di un'onda piana che si propaga lungo la direzione dell'asse positivo sì:
, Dove X- spostamento dalla posizione di equilibrio di un punto situato ad una distanza y dalla sorgente al tempo t.

Onda - è il fenomeno della propagazione nello spazio nel tempo di una variazione (perturbazione) di una grandezza fisica, portando con sé energia.

Indipendentemente dalla natura dell'onda, il trasferimento di energia avviene senza trasferimento di materia; quest'ultimo può verificarsi solo come effetto collaterale. Trasferimento di energia- la differenza fondamentale tra onde e oscillazioni, in cui avvengono solo trasformazioni energetiche “locali”. Le onde, di regola, sono in grado di percorrere distanze considerevoli dal luogo di origine. Per questo motivo le onde vengono talvolta chiamate " vibrazione staccata dall'emettitore».

Le onde possono essere classificate

Per sua natura:

Onde elastiche - onde che si propagano in mezzi liquidi, solidi e gassosi per l'azione di forze elastiche.

Onde elettromagnetiche- un disturbo (cambiamento di stato) del campo elettromagnetico che si propaga nello spazio.

Onde sulla superficie di un liquido- un nome convenzionale per varie onde che si presentano all'interfaccia tra liquido e gas o liquido e liquido. Le onde dell'acqua differiscono nel meccanismo fondamentale di oscillazione (capillare, gravitazionale, ecc.), che porta a diverse leggi di dispersione e, di conseguenza, a diversi comportamenti di queste onde.

In relazione alla direzione di vibrazione delle particelle del mezzo:

Onde longitudinali - le particelle del mezzo vibrano parallelo nella direzione di propagazione delle onde (come, ad esempio, nel caso della propagazione del suono).

Onde trasversali - le particelle del mezzo vibrano perpendicolare direzione di propagazione delle onde (onde elettromagnetiche, onde sulle superfici di separazione dei mezzi).

a - trasversale; b - longitudinale.

Onde miste.

Secondo la geometria del fronte d’onda:

La superficie dell'onda (fronte d'onda) è la posizione geometrica dei punti raggiunti dal disturbo in un dato istante nel tempo. In un mezzo isotropo omogeneo, la velocità di propagazione dell'onda è la stessa in tutte le direzioni, il che significa che tutti i punti del fronte oscillano nella stessa fase, il fronte è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda, i valori dell'oscillazione le quantità sono le stesse in tutti i punti del fronte.

Piatto i piani di fase dell'onda sono perpendicolari alla direzione di propagazione dell'onda e paralleli tra loro.

Sferico onda: la superficie delle fasi uguali è una sfera.

Cilindrico onda: la superficie delle fasi ricorda un cilindro.

Spirale onda - si forma se una/le sorgenti d'onda sferiche o cilindriche si muovono lungo una determinata curva chiusa durante il processo di radiazione.

Onda piana

Un'onda è detta piatta se le sue superfici d'onda sono piani paralleli tra loro, perpendicolari alla velocità di fase dell'onda. Se l'asse delle coordinate x è diretto lungo la velocità di fase dell'onda v, allora il vettore che descrive l'onda sarà a funzione di sole due variabili: coordinate x e tempo t (y = f(x,t)).

Consideriamo un'onda sinusoidale piatta monocromatica (a singola frequenza) che si propaga in un mezzo omogeneo senza attenuazione lungo l'asse X. Se la sorgente (piano infinito) oscilla secondo la legge y=, allora l'oscillazione raggiungerà il punto con coordinata x con. un ritardo di tempo, quindi.

,Dove

Velocità di fase dell'onda – la velocità di movimento della superficie dell'onda (anteriore),

– ampiezza dell’onda – modulo della deviazione massima di una quantità variabile dalla posizione di equilibrio,

– frequenza ciclica, T – periodo di oscillazione, – frequenza dell’onda (simile alle oscillazioni)

k è il numero d'onda, ha il significato di frequenza spaziale,

Un'altra caratteristica di un'onda è la lunghezza d'onda m, questa è la distanza su cui si propaga l'onda durante un periodo di oscillazione, ha il significato di periodo spaziale, questa è la distanza più breve tra punti che oscillano nella stessa fase.

sì

La lunghezza d'onda è legata al numero d'onda tramite una relazione simile alla relazione temporale

Il numero d'onda è legato alla frequenza ciclica e alla velocità di propagazione dell'onda

X
sì
sì

Le figure mostrano un oscillogramma (a) e un'istantanea (b) di un'onda con i periodi di tempo e spazio indicati. A differenza delle oscillazioni stazionarie, le onde hanno due caratteristiche principali: periodicità temporale e periodicità spaziale.

Proprietà generali delle onde:

1. 
   Le onde trasportano energia.

2. Le onde esercitano una pressione sui corpi (hanno quantità di moto).

3. La velocità di un'onda in un mezzo dipende dalla frequenza dell'onda - dispersione. Pertanto, onde di frequenze diverse si propagano nello stesso mezzo con velocità diverse (velocità di fase).

4. Le onde si piegano attorno agli ostacoli: diffrazione.

La diffrazione si verifica quando la dimensione dell'ostacolo è paragonabile alla lunghezza d'onda.

5. All'interfaccia tra due mezzi, le onde vengono riflesse e rifratte.

L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione e il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e il seno dell'angolo di rifrazione è un valore costante per due dati mezzi.

6. Quando le onde coerenti si sovrappongono (la differenza di fase di queste onde in qualsiasi punto è costante nel tempo), interferiscono: si forma uno schema stabile di minimi e massimi di interferenza.

Le onde e le sorgenti che le eccitano si dicono coerenti se la differenza di fase tra le onde non dipende dal tempo. Le onde e le sorgenti che le eccitano si dicono incoerenti se la differenza di fase tra le onde cambia nel tempo.

Solo le onde che hanno la stessa frequenza e oscillano lungo la stessa direzione (cioè onde coerenti) possono interferire. L'interferenza può essere stazionaria o non stazionaria. Solo le onde coerenti possono produrre una figura di interferenza stazionaria. Ad esempio, due onde sferiche sulla superficie dell'acqua, che si propagano da due sorgenti puntiformi coerenti, produrranno un'onda risultante in seguito all'interferenza. Il fronte dell'onda risultante sarà una sfera.

Quando le onde interferiscono, le loro energie non si sommano. L'interferenza delle onde porta alla ridistribuzione dell'energia di vibrazione tra varie particelle ravvicinate del mezzo. Ciò non contraddice la legge di conservazione dell'energia perché, in media, per una vasta regione dello spazio, l'energia dell'onda risultante è uguale alla somma delle energie delle onde interferenti.

Quando le onde incoerenti sono sovrapposte, l'ampiezza quadrata media dell'onda risultante è uguale alla somma delle ampiezze quadrate delle onde sovrapposte. L'energia delle oscillazioni risultanti di ciascun punto del mezzo è uguale alla somma delle energie delle sue oscillazioni causate separatamente da tutte le onde incoerenti.

7. Le onde vengono assorbite dal mezzo. Man mano che ci si allontana dalla sorgente, l'ampiezza dell'onda diminuisce, poiché l'energia dell'onda viene parzialmente trasferita al mezzo.

8. Le onde sono disperse in un mezzo disomogeneo.

Lo scattering è un disturbo dei campi d'onda causato da disomogeneità del mezzo e dagli oggetti scatteranti posti in questo mezzo. L'intensità dello scattering dipende dalla dimensione delle disomogeneità e dalla frequenza dell'onda.

Onde meccaniche. Suono. Caratteristiche del suono .

Onda- un disturbo che si propaga nello spazio.

Proprietà generali delle onde:

• 
  trasferire energia;
• 
  avere impulso (esercitare pressione sui corpi);
• 
  al confine di due mezzi si riflettono e si rifrangono;
• 
  vengono assorbiti dall'ambiente;
• 
  diffrazione;
• 
  interferenza;
• 
  dispersione;
• 
  La velocità delle onde dipende dal mezzo attraverso il quale passano le onde.

1. 
   Onde meccaniche (elastiche).

Un caso speciale di onde meccaniche - onde sulla superficie di un liquido, onde che nascono e si propagano lungo la superficie libera di un liquido o all'interfaccia di due liquidi immiscibili. Si formano sotto l'influenza di influenze esterne, a seguito delle quali la superficie del liquido viene rimossa dallo stato di equilibrio. In questo caso sorgono forze che ristabiliscono l’equilibrio: le forze della tensione superficiale e della gravità.

Esistono due tipi di onde meccaniche

- il cosidetto numero d'onda ,

– frequenza circolare ,

UN - ampiezza della vibrazione delle particelle.

La figura mostra “istantanee” di un'onda trasversale in due punti nel tempo: t e t + Δt. Durante il tempo Δt l'onda si è spostata lungo l'asse OX fino ad una distanza υΔt. Tali onde sono solitamente chiamate onde viaggianti.

La lunghezza d'onda λ è la distanza tra due punti adiacenti sull'asse OX, oscillanti nelle stesse fasi. L'onda percorre una distanza pari alla lunghezza d'onda λ in un periodo T, quindi:

λ = υT, dove υ è la velocità di propagazione delle onde.

Per qualsiasi punto selezionato sul grafico del processo ondoso (ad esempio, per il punto A), nel tempo t la coordinata x di questo punto cambia e il valore dell'espressione ωt – kx non cambia. Dopo un periodo di tempo Δt, il punto A si sposterà lungo l'asse OX fino ad una certa distanza Δx = υΔt. Quindi: ωt – kx = ω(t + Δt) – k(x + Δx) = cost oppure ωΔt = kΔx.

Ciò implica:

Pertanto, un'onda sinusoidale viaggiante ha una doppia periodicità: nel tempo e nello spazio. Il periodo temporale è pari al periodo di oscillazione T delle particelle del mezzo, il periodo spaziale è pari alla lunghezza d'onda λ. Il numero d'onda è l'analogo spaziale della frequenza circolare.

1. 
   Suono.

Qualsiasi processo oscillatorio è descritto dall'equazione. Deriva anche per le vibrazioni sonore:

Caratteristiche fondamentali delle onde sonore

β - comprimibilità adiabatica del mezzo,

ρ - densità.

1. 
   Applicazione del suono

Gli ecolocalizzatori utilizzati sott'acqua sono chiamati sonar o sonar (il nome sonar è formato dalle lettere iniziali di tre parole inglesi: suono - suono; navigazione - navigazione; portata - portata). I sonar sono indispensabili per studiare il fondale marino (il suo profilo, profondità), per rilevare e studiare vari oggetti che si muovono in profondità sott'acqua. Con il loro aiuto è possibile individuare facilmente sia singoli oggetti o animali di grandi dimensioni che banchi di piccoli pesci o molluschi.

Le onde ultrasoniche sono ampiamente utilizzate in medicina per scopi diagnostici. Gli scanner a ultrasuoni consentono di esaminare gli organi interni di una persona. Le radiazioni ultrasoniche sono meno dannose per l’uomo rispetto ai raggi X.

Onde elettromagnetiche.

Le loro proprietà.

Onda elettromagnetica è un campo elettromagnetico che si propaga nello spazio nel tempo.

Le onde elettromagnetiche possono essere eccitate solo da cariche in rapido movimento.

L'esistenza delle onde elettromagnetiche fu prevista teoricamente dal grande fisico inglese J. Maxwell nel 1864. Propose una nuova interpretazione della legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica e sviluppò ulteriormente le sue idee.

Qualsiasi cambiamento nel campo magnetico genera un campo elettrico a vortice nello spazio circostante, e un campo elettrico variabile nel tempo genera un campo magnetico nello spazio circostante.

Figura 1. Un campo elettrico alternato genera un campo magnetico alternato e viceversa

Proprietà delle onde elettromagnetiche basate sulla teoria di Maxwell:

Onde elettromagnetiche trasversale – I vettori e sono perpendicolari tra loro e giacciono su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione.

Figura 2. Propagazione delle onde elettromagnetiche

I campi elettrico e magnetico in un'onda viaggiante cambiano nella stessa fase.

I vettori in un'onda elettromagnetica viaggiante formano la cosiddetta terna destrorsa di vettori.

Le oscillazioni dei vettori avvengono in fase: nello stesso momento, in un punto dello spazio, le proiezioni delle intensità del campo elettrico e magnetico raggiungono il massimo, il minimo o lo zero.

Le onde elettromagnetiche si propagano nella materia con velocità terminale

Dove sono la permeabilità dielettrica e magnetica del mezzo (da loro dipende la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica nel mezzo),

Costanti elettriche e magnetiche.

Velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto

Densità del flusso di energia elettromagnetica Ointensità J è l'energia elettromagnetica trasferita da un'onda nell'unità di tempo attraverso una superficie di unità di area:

,

Le onde elettromagnetiche possono essere polarizzate.

Anche le onde elettromagnetiche hanno tutte le proprietà fondamentali delle onde : trasferiscono energia, hanno quantità di moto, si riflettono e rifrangono all'interfaccia tra due mezzi, assorbiti dal mezzo, presentano proprietà di dispersione, diffrazione e interferenza.

Gli esperimenti di Hertz (rilevazione sperimentale delle onde elettromagnetiche)

Per la prima volta furono studiate sperimentalmente le onde elettromagnetiche

Herz nel 1888 Ha sviluppato un progetto di successo per un generatore di oscillazioni elettromagnetiche (vibratore Hertz) e un metodo per rilevarne la risonanza.

Il vibratore era costituito da due conduttori lineari, alle estremità dei quali c'erano sfere metalliche che formavano uno spinterometro. Quando veniva applicata l'alta tensione dalla bobina di induzione all'induttore, una scintilla saltava attraverso lo spazio e lo cortocircuitava. Durante la sua combustione, nel circuito si sono verificate numerose oscillazioni. Il ricevitore (risonatore) era costituito da un filo con uno spinterometro. La presenza di risonanza è stata espressa dalla comparsa di scintille nello spinterometro del risonatore in risposta a una scintilla che si forma nel vibratore.

Pertanto, gli esperimenti di Hertz fornirono una solida base per la teoria di Maxwell. Le onde elettromagnetiche previste da Maxwell si sono rivelate realizzate sperimentalmente.

PRINCIPI DELLA RADIOCOMUNICAZIONE

Comunicazione radiofonica – trasmissione e ricezione di informazioni mediante onde radio.

Il 24 marzo 1896, in una riunione del dipartimento di fisica della Società fisica-chimica russa, Popov, utilizzando i suoi strumenti, dimostrò chiaramente la trasmissione di segnali su una distanza di 250 m, trasmettendo il primo radiogramma di due parole al mondo "Heinrich Hertz" .

SCHEMA DEL RICEVITORE A.S

Popov utilizzava la comunicazione radiotelegrafica (trasmissione di segnali di diversa durata), tale comunicazione può essere effettuata solo utilizzando un codice. Come sorgente di onde radio veniva utilizzato un trasmettitore a scintilla con un vibratore Hertz e come ricevitore serviva un coherer, un tubo di vetro con limatura metallica, la cui resistenza diminuisce centinaia di volte quando un'onda elettromagnetica lo colpisce. Per aumentare la sensibilità del coherer, un'estremità era collegata a terra e l'altra era collegata a un filo sollevato sopra la Terra, la lunghezza totale dell'antenna era pari a un quarto della lunghezza d'onda. Il segnale del trasmettitore a scintilla svanisce rapidamente e non può essere trasmesso su lunghe distanze.

Per le comunicazioni radiotelefoniche (trasmissione di parlato e musica), viene utilizzato un segnale modulato ad alta frequenza. Un segnale a bassa frequenza (sonora) trasporta informazioni, ma praticamente non viene emesso, e un segnale ad alta frequenza viene emesso bene, ma non trasporta informazioni. La modulazione viene utilizzata per le comunicazioni radiotelefoniche.

Modulazione – il processo di stabilire una corrispondenza tra i parametri dei segnali HF e LF.

Nell'ingegneria radiofonica vengono utilizzati diversi tipi di modulazione: ampiezza, frequenza, fase.

Modulazione d'ampiezza - una variazione dell'ampiezza delle vibrazioni (elettriche, meccaniche, ecc.), che avviene ad una frequenza molto inferiore alla frequenza delle vibrazioni stesse.

Un'oscillazione armonica di alta frequenza ω è modulata in ampiezza da un'oscillazione armonica di bassa frequenza Ω (τ = 1/Ω è il suo periodo), t è il tempo, A è l'ampiezza dell'oscillazione ad alta frequenza, T è il suo periodo.

Circuito di comunicazione radio che utilizza il segnale AM

Generatore di modulazione di ampiezza

L'ampiezza del segnale RF viene modificata in base all'ampiezza del segnale LF, quindi il segnale modulato viene irradiato dall'antenna trasmittente.

In un ricevitore radio, l'antenna ricevente capta le onde radio; nel circuito oscillante, per risonanza, il segnale su cui è sintonizzato il circuito (la frequenza portante della stazione trasmittente) viene isolato e amplificato, quindi è necessario per isolare la componente a bassa frequenza del segnale.

Radiorivelatore

Rilevamento – il processo di conversione di un segnale ad alta frequenza in un segnale a bassa frequenza. Il segnale ricevuto dopo il rilevamento corrisponde al segnale sonoro che agiva sul microfono del trasmettitore. Una volta amplificate, le vibrazioni a bassa frequenza possono essere trasformate in suono.

Rivelatore (demodulatore)

Il diodo viene utilizzato per raddrizzare la corrente alternata

a) Segnale AM, b) segnale rilevato

RADAR

Viene chiamato rilevamento e determinazione precisa della posizione degli oggetti e della velocità del loro movimento utilizzando le onde radio radar . Il principio del radar si basa sulla proprietà di riflessione delle onde elettromagnetiche provenienti dai metalli.

1 - antenna rotante; 2 - interruttore dell'antenna; 3 - trasmettitore; 4 - ricevitore; 5 - scanner; 6 - indicatore di distanza; 7 - indicatore di direzione.

Le onde radio ad alta frequenza (VHF) vengono utilizzate per il radar, con il loro aiuto si forma facilmente un raggio diretto e la potenza della radiazione è elevata; Nel campo del metro e del decimetro ci sono sistemi vibranti a reticolo, nel campo del centimetro e del millimetro ci sono emettitori parabolici. La localizzazione può essere effettuata sia in modalità continua (per rilevare un bersaglio) che in modalità pulsata (per determinare la velocità di un oggetto).

Aree di applicazione del radar:

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  Aviazione, astronautica, marina: sicurezza del traffico navale con qualsiasi tempo e in qualsiasi ora del giorno, prevenzione delle collisioni, sicurezza del decollo, ecc. atterraggi di aerei.
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  Affari militari: rilevamento tempestivo di aerei o missili nemici, regolazione automatica del fuoco antiaereo.
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  Radar dei pianeti: misurare la distanza da essi, chiarire i parametri delle loro orbite, determinare il periodo di rotazione, osservare la topografia superficiale. Nell'ex Unione Sovietica (1961) - radar di Venere, Mercurio, Marte, Giove. Negli Stati Uniti e in Ungheria (1946) - un esperimento sulla ricezione di un segnale riflesso dalla superficie della Luna.

Il circuito di telecomunicazione è, in linea di principio, uguale al circuito di comunicazione radio. La differenza è che, oltre al segnale sonoro, vengono trasmessi un'immagine e segnali di controllo (cambio di linea e cambio di frame) per sincronizzare il funzionamento del trasmettitore e del ricevitore. Nel trasmettitore questi segnali vengono modulati e trasmessi, nel ricevitore vengono captati dall'antenna e ciascuno segue il proprio percorso per l'elaborazione.

Consideriamo uno dei possibili schemi per convertire un'immagine in onde elettromagnetiche utilizzando un iconoscopio:

Utilizzando un sistema ottico, un'immagine viene proiettata su uno schermo a mosaico; per effetto fotoelettrico, le cellule dello schermo acquisiscono una diversa carica positiva. Il cannone elettronico produce un fascio di elettroni che si muove attraverso lo schermo, scaricando cellule caricate positivamente. Poiché ogni cella è un condensatore, una variazione di carica porta alla comparsa di una tensione variabile, un'oscillazione elettromagnetica. Il segnale viene quindi amplificato e inviato ad un dispositivo modulante. In un cinescopio, il segnale video viene riconvertito in un'immagine (in modi diversi a seconda del principio di funzionamento del cinescopio).

Poiché il segnale televisivo trasporta molte più informazioni di quello radiofonico, il lavoro viene svolto ad alte frequenze (metri, decimetri).

Propagazione delle onde radio.
Onde radio -è un'onda elettromagnetica nella gamma (10 4

Ogni sezione di questa gamma viene utilizzata laddove i suoi benefici possono essere sfruttati al meglio. Le onde radio di diverse gamme viaggiano su distanze diverse. La propagazione delle onde radio dipende dalle proprietà dell'atmosfera. Anche la superficie terrestre, la troposfera e la ionosfera hanno una forte influenza sulla propagazione delle onde radio.

Le onde lunghe (>1000 m) si propagano:

• 
  A distanze fino a 1-2 mila km a causa della diffrazione sulla superficie sferica della Terra. Capace di circumnavigare il globo (Fig. 1). Quindi la loro propagazione avviene per l'azione guidante della guida d'onda sferica, senza riflessione.

Qualità della connessione:

Stabilità della ricezione. La qualità della ricezione non dipende dall'ora del giorno, dall'anno o dalle condizioni atmosferiche.

Screpolatura:

A causa del forte assorbimento dell'onda mentre si propaga sulla superficie terrestre, sono necessarie una grande antenna e un potente trasmettitore.

Le scariche atmosferiche (fulmini) creano interferenze.

Utilizzo:

• 
  La portata viene utilizzata per trasmissioni radiofoniche, comunicazioni radiotelegrafiche, servizi di radionavigazione e comunicazioni con sottomarini.
• 
  Ci sono un piccolo numero di stazioni radio che trasmettono segnali orari e bollettini meteorologici.

Le onde medie ( =100..1000 m) si propagano:

• 
  Come le onde lunghe, sono in grado di piegarsi attorno alla superficie terrestre.
• 
  Come le onde corte, possono anche essere riflesse ripetutamente dalla ionosfera.

Qualità della connessione:

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  Breve raggio di comunicazione. Le stazioni ad onde medie possono essere ascoltate nel raggio di migliaia di chilometri. Ma c’è un alto livello di interferenze atmosferiche e industriali.

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  Sono utilizzati per comunicazioni ufficiali e amatoriali, ma anche principalmente per la radiodiffusione.

Le onde corte (=10..100 m) si propagano:

• 
  Riflesso ripetutamente dalla ionosfera e dalla superficie della terra (Fig. 2)

La qualità della ricezione sulle onde corte dipende in gran parte da vari processi nella ionosfera associati al livello di attività solare, al periodo dell'anno e all'ora del giorno. Non sono necessari trasmettitori ad alta potenza. Non sono adatti alla comunicazione tra stazioni terrestri e veicoli spaziali, poiché non attraversano la ionosfera.

Utilizzo:

• 
  Per comunicazioni a lunga distanza. Per la televisione, la radiodiffusione e la comunicazione radio con oggetti in movimento. Operano stazioni radio telegrafiche e telefoniche dipartimentali. Questa gamma è la più “popolata”.

Onde ultracorte (

• 
  A volte possono essere riflessi dalle nuvole, dai satelliti artificiali o persino dalla Luna. In questo caso, il raggio di comunicazione potrebbe aumentare leggermente.

La ricezione delle onde ultracorte è caratterizzata da un'udibilità costante, dall'assenza di sbiadimento e da una diminuzione delle varie interferenze.

La comunicazione su queste onde è possibile solo a distanza di linea di vista l(Fig. 7).

Ripetitore- un dispositivo situato nei punti intermedi delle linee di comunicazione radio, che amplifica i segnali ricevuti e li trasmette ulteriormente.

Ritrasmettere- ricezione di segnali in un punto intermedio, loro amplificazione e trasmissione nella stessa o in un'altra direzione. L'inoltro è progettato per aumentare la portata della comunicazione.

Esistono due metodi di trasmissione: satellitare e terrestre.

Satellitare:

Un satellite relè attivo riceve un segnale da una stazione di terra, lo amplifica e, attraverso un potente trasmettitore direzionale, invia il segnale alla Terra nella stessa direzione o in una direzione diversa.

Terra:

Il segnale viene trasmesso a una stazione radio terrestre analogica o digitale o a una rete di tali stazioni e quindi inviato nella stessa direzione o in una direzione diversa.

1 – trasmettitore radio,

2 – antenna trasmittente, 3 – antenna ricevente, 4 – ricevitore radio.

Utilizzo:

• 
  Per la comunicazione con i satelliti terrestri artificiali e

Il VHF è suddiviso nelle seguenti gamme:

onde del metro - da 10 a 1 metro, utilizzato per le comunicazioni telefoniche tra navi, natanti e servizi portuali.

decimetro - da 1 metro a 10 cm, utilizzato per le comunicazioni satellitari.

centimetro - da 10 a 1 cm, utilizzato nei radar.

millimetro - da 1 cm a 1 mm, utilizzato principalmente in medicina.

Meccanicoonda in fisica è il fenomeno della propagazione di perturbazioni, accompagnato dal trasferimento di energia di un corpo oscillante da un punto a un altro senza trasporto di materia, in un mezzo elastico.

Un mezzo in cui esiste un'interazione elastica tra le molecole (liquido, gas o solido) è un prerequisito per il verificarsi di disturbi meccanici. Sono possibili solo quando le molecole di una sostanza entrano in collisione tra loro, trasferendo energia. Un esempio di tali disturbi è il suono (onda acustica). Il suono può viaggiare nell'aria, nell'acqua o in un solido, ma non nel vuoto.

Per creare un'onda meccanica è necessaria una certa energia iniziale, che porterà il mezzo fuori dalla sua posizione di equilibrio. Questa energia verrà poi trasmessa dall'onda. Ad esempio, un sasso gettato in una piccola quantità d'acqua crea un'onda sulla superficie. Un forte urlo crea un'onda acustica.

Principali tipologie di onde meccaniche:

• Suono;
• Sulla superficie dell'acqua;
• Terremoti;
• Onde sismiche.

Le onde meccaniche hanno picchi e valli come tutti i movimenti oscillatori. Le loro caratteristiche principali sono:

• Frequenza. Questo è il numero di vibrazioni che si verificano al secondo. Unità SI: [ν] = [Hz] = [s -1 ].
• Lunghezza d'onda. La distanza tra picchi o valli adiacenti. [λ] = [m].
• Ampiezza. La massima deviazione di un punto nel mezzo dalla posizione di equilibrio. [Xmax] = [m].
• Velocità. Questa è la distanza percorsa da un'onda in un secondo. [V] = [m/s].

Lunghezza d'onda

La lunghezza d'onda è la distanza tra i punti più vicini tra loro che oscillano nelle stesse fasi.

Le onde si propagano nello spazio. Viene chiamata la direzione della loro propagazione trave ed è indicato da una linea perpendicolare alla superficie dell'onda. E la loro velocità è calcolata dalla formula:

Il confine della superficie ondulatoria, che separa la parte del mezzo in cui si stanno già verificando le oscillazioni, dalla parte del mezzo in cui le oscillazioni non sono ancora iniziate - ondadavanti.

Onde longitudinali e trasversali

Uno dei modi per classificare il tipo meccanico delle onde è determinare la direzione del movimento delle singole particelle del mezzo nell'onda in relazione alla direzione della sua propagazione.

A seconda della direzione del movimento delle particelle nelle onde, ci sono:

1. Trasversaleonde. Le particelle del mezzo in questo tipo di onda vibrano ad angolo retto rispetto al raggio d'onda. Le increspature di uno stagno o le corde vibranti di una chitarra possono aiutare a rappresentare le onde trasversali. Questo tipo di vibrazione non può propagarsi in un mezzo liquido o gassoso, perché le particelle di questi mezzi si muovono in modo caotico ed è impossibile organizzare il loro movimento perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda. Le onde trasversali si muovono molto più lentamente di quelle longitudinali.
2. Longitudinaleonde. Le particelle del mezzo oscillano nella stessa direzione in cui si propaga l'onda. Alcune onde di questo tipo sono chiamate onde di compressione o onde di compressione. Le oscillazioni longitudinali di una molla - compressione ed estensione periodiche - forniscono una buona visualizzazione di tali onde. Le onde longitudinali sono le onde meccaniche più veloci. Le onde sonore nell'aria, gli tsunami e gli ultrasuoni sono longitudinali. Questi includono un certo tipo di onde sismiche che si propagano nel sottosuolo e nell'acqua.