Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Samankaltaiset tiedostot
Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

3 Ääni ja kuulo. Ihmiskorva aistii paineen vaihteluita, joten yleensä äänestä puhuttaessa määritellään ääniaalto paineen vaihteluiden kautta.

Aaltoliike ajan suhteen:

Luento 14: Ääniaallot ja kuulo

16 Ääni ja kuuleminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

2.1 Ääni aaltoliikkeenä

, tulee. Käyttämällä identiteettiä

Luento 14: Ääniaallot ja kuulo

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

3.1 PITKITTÄISEN AALLON NOPEUS JA ENERGIA

LUT CS20A0650 Meluntorjunta 1. Tsunamin synty LUT CS20A0650 Meluntorjunta

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 10: Työ, energia ja teho

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYS03: Aaltoliike. kurssin muistiinpanot. Rami Nuotio

Luento 16: Ääniaallot ja kuulo

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Ihmiskorva havaitsee ääniaallot taajuusvälillä 20 Hz 20 khz.

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Kvanttifysiikan perusteet 2017


Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Luvun 5 laskuesimerkit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

25 INTERFEROMETRI 25.1 Johdanto

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

2.2 Ääni aaltoliikkeenä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

1 PERUSKÄSITTEITÄ 1.1 AALTOJEN TYYPIT

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Luvun 5 laskuesimerkit

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Fysiikka 8. Aine ja säteily

+ 0, (29.20) 32 SÄHKÖMAGNEETTISET AALLOT (Electromagnetic Waves) i c+ ε 0 dφ E / dt ja silmukan kohdalla vaikuttavan magneettivuon tiheyden

Luento 15: Mekaaniset aallot

Erityinen suhteellisuusteoria (Harris luku 2)

16 ÄÄNI JA KUULEMINEN (Sound and Hearing)

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

SÄHKÖMAGNEETTINEN KYTKEYTYMINEN

4. Käyrän lokaaleja ominaisuuksia

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

2 Mekaaninen aalto. Mekaaniset aallot kulkevat jossain materiaalissa, jota kutsutaan tässä yhteydessä väliaineeksi (medium).

Luento 15: Mekaaniset aallot. Mekaaniset aallot Eteneminen Aallon nopeus väliaineessa Energia Aallon heijastuminen Seisovat aallot

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

Luento 16: Ääniaallot ja kuulo

Luento 2: Liikkeen kuvausta

- 3 välikoetta, jokaisessa 4 tehtävää, yht. 12 teht. - 6 pistettä yhdestä tehtävästä - max pisteet 72 (+ lisät harjoituksista)

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät

= 0.175m, 0.525m, 0.875m,...

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 11: Taso- ja tilavuusintegraalien sovellutuksia

Yleistä äänestä. Ääni aaltoliikkeenä. (lähde

Shrödingerin yhtälön johto

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

ELEC-A3110 Mekaniikka (5 op)

on hidastuvaa. Hidastuvuus eli negatiivinen kiihtyvyys saadaan laskevan suoran kulmakertoimesta, joka on siis

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

3. Optiikka. 1. Geometrinen optiikka. 2. Aalto-optiikka. 3. Stokesin parametrit. 4. Perussuureita. 5. Kuvausvirheet. 6. Optiikan suunnittelu

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luento 7: Voima ja Liikemäärä

3 ÄÄNI. Sovelletaan nytkin impulssiteoreemaa. Liikkuvaan nesteosaan vaikuttava A ja sen aiheuttama liikemäärän muutos, on nesteosan massa.

Kenttäteoria. Viikko 10: Tasoaallon heijastuminen ja taittuminen

= ωε ε ε o =8,853 pf/m

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Yleistä. Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet. Tentit. Kurssin hyväksytty suoritus = Harjoitustyö 2(2) Harjoitustyö 1(2)

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Luento 3: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

Laskun vaiheet ja matemaattiset mallit

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Infrapunaspektroskopia

:37:37 1/50 luentokalvot_05_combined.pdf (#38)

Vanhoja koetehtäviä. Analyyttinen geometria 2016

jonka peruslait tiivistyvät neljään ns. Maxwellin yhtälöön.

Valon luonne ja eteneminen. Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä, ei tarvitse väliainetta edetäkseen

Luento 4: Liikkeen kuvausta, differentiaaliyhtälöt

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

Luvun 12 laskuesimerkit

RG-58U 4,5 db/30m. Spektrianalysaattori. 0,5m. 60m

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

Fysiikan valintakoe klo 9-12

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

1. Perusteita Äänen fysiikkaa. Ääniaalto. Aallonpituus ja amplitudi. Taajuus (frequency) Äänen nopeus

Transkriptio:

Mekaniikan jatkokurssi Fys10 Kevät 010 Jukka Maalampi LUENTO 1

Aalto köydessä Kohdassa x olevan ainehiukkasen poikkeama tasapainosta y ajan funktiona on y( x, t) Asin( kx t 0) Ketjusääntö: Ainehiukkasen nopeus poikittaissuunnassa on v y dy dt Acos( kx t ) 0 df ( g( x)) dx df dg dg dx (Huom. Tämä ei ole aallonnopeus!) Kiihtyvyys a y dv dt y Asin( kx t 0) Ainehiukkasten nopeudet

Pala köyttä huipun kohdalla: Köyden jännitys (>> köyden paino) aiheuttaa nettovoiman (F netto ) y. Newtonin toinen laki: ( F netto ) y ma y xa y (1) Huipun kohdalla sin( ) = 1 eli a y Mitä on (F netto ) y? A ( vk) A. ( F netto ) T sin T tan y s s () (3) Kun Dx on pieni, on pieni. Silloin sin tan. tan on köyden tangentin kulmakerroin pisteessä x = Dx/

Oletettiin, että köydellä on maksimi kohdassa x = 0 eli y(0, t) A Asin( t 0) t 0. Silloin pisteen x ympärillä poikkeamaa kuvaa funktio y( x, t) Asin( kx ) Acos( kx). Siten tan dy dx x x kx kasin. Koska Dx << l, on ja sin( ) ( ) kasin( kx) kx tan ka x x x x k 1 k Ax. (4) Yhtälön (3) mukaan on siten Sijoitetaan Newtonin yhtälöön (1) eli ( F netto k ) y (T AT x. s s k ) Ax k ATs x ( x)( v k A) m a y v T s Aallon etenemisnopeus määräytyy siis köyden (väliaineen) ominaisuuksista, jännityksestä ja tiheydestä. Yht ()

Pitkittäisen aallon nopeus Tarkastellaan kaasua/nestettä putkessa ja johdetaan siinä kulkevan pitkittäisen aallon nopeus. Esimerkkejä: puhallinsoittimet, kuulo, ääntely, Tasapaino Osa fluidista liikkeessä Ajassa t mäntä on liikkunut matkan v y t ja liikkuvan fluidin rintama (häiriö) matkan vt (kohdalle P). v y on männän nopeus ja v on häiriön etenemisnopeus.

Kun mäntää työnnetään, sen aiheuttama paine kasvaa jollakin määrällä Dp. Samalla liikkeessä olevan fluidinosan tilavuus pienentyy: V Avt V v y At. A( v v y ) t V V, Paineen muutoksen ja siitä johtuvan aineen tilavuuden muutoksen suhde toisiinsa on aineen luonteesta riippuvainen. Sitä kuvaa puristusmoduli (puristuskerroin) B: B - paineen muutos tilavuuden suhteellinen muutos p V / V. Huom. k=1/b on kokoonpuristuvuus. Vesi k = 45.8 ÿ10-11 Pa -1, elohopea k = 3.7 ÿ10-11 Pa -1.

Nyt B Paine antaa liikkuvan fluidin osaan ajassa t impulssin (putken suunnassa) (Palautetaan mieleen: J = voima μ vaikutusaika = liikemäärän muutos.) Koska p Av t / Avt y v v p. liikemäärän muutos on (vta)v y. Siis y vy J ( p p) At pat Atp B At. v liikkuvan fluidin massa V vta " nopeus, v y vy B v At vtav y v B Pitkittäisen aallon nopeus fluidissa. B on puristusmoduli.

Kiinteästä aineesta valmistetussa tangossa etenevän pitkittäisen aallon nopeudeksi saadaan vastaavalla tavalla v Y Y on Youngin moduli Y F A l l Y 0 Pa Tyypillisesti Y = 10 9 10 10 Pa.

Tätä ja seuraavaa kalvoa ei kysytä kokeessa. Lukekaa jos kiinnostaa. F

Aallot kahdessa ja kolmessa ulottuvuudessa Toistaiseksi on tarkasteltu aaltoja, jotka etenevät yhteen suuntaan. Yleisempiä tapauksia ovat esim Pinnalla kaikkiin suuntaan etenevät rengasmaiset aallot, esim veteen heitetyn kiven aiheuttamat aallot. Nämä ovat kaksiulotteisia aaltoja Kaikkiin suuntiin etenevät pallomaiset aallot, esim sumusireenin ulvonta. Palloaallot ovat kolmiulotteisia aaltoja. Näissä aallonharjat muodostavat samankeskisiä renkaita tai pallopintoja, jotka loittonevat niiden keskuksena toimivasta aaltolähteestä.

Peräkkäiset aallonharjat ovat aallonpituuden l etäisyydellä toisistaan ja etääntyvät lähteestä aallonnopeudella v. Kun ollaan kaukana rengasmaisen tai pallomaisen aallon lähteestä, aaltorintamat näyttävät paikallisesti vain vähän kaareutuneilta, lähes tasoaalloilta. vrt Jos esim ääniaalto tulee sumusireenistä x-akselia pitkin kuulijaa kohti, riippuu ilman molekyylien poikkeama kaukana sireenistä vain x:stä ja t:stä, mutta ei y:stä ja z:sta. Ts. D = D(x,t), aivan kuten yksiulotteisen aallon tapauksessa. Tässä yz-tasossa kaikilla molekyyleillä sama poikkeama.

Poikkeama riippuu siis vain yhdestä paikkamuuttujasta, etäisyydestä lähteeseen r. Siniaalto on silloin muotoa D( r, t) A( r)sin( kr t 0) r r Vaihe-ero Kuvassa on merkitty kaksi siniaallon pistettä jollain hetkellä t. Niitä vastaavien vaihekulmien välillä on vaihe-ero Df r 1 ( kx t 0) ( kx x k( x x1 ) kx 1 t ) 0 Kahden aallonharjan välinen vaihe-ero on siten p ja aallonharjan ja pohjan välinen vaihe-ero on p.

Ääniaallot ja valo Ääniaallot ovat pitkittäisiä aaltoja. Niitä voi esiintyä kaikkialla siellä, missä on molekyylejä (atomeja) eli kaasuissa, nesteissä, kiinteässä aineessa ja plasmassa. Ääniaalto on aineessa etenevä tiheyshäiriö. Se koostuu aineen tihentymisistä ja harventumisista. Kiinteässä aineessa ääniaallot voivat olla myös poikittaisia (shear wave): aallon etenemistä vastaan kohtisuorassa tasossa tapahtuvat molekyylien heilahtelut voivat välittyä molekyylien välisten sidosten takia seuraavaan tasoon jne. Äänen nopeus riippuu väliaineen ominaisuuksista (molekyylimassasta) ja lämpötilasta. Äänen nopeus ilmassa huoneen lämpötilassa (0 C) on v ääni 343 m/s

Äänen nopeuden, taajuuden ja aallonpituuden välillä on yhteys v f Ihmisen kuuloalue on 0 0000 Hz. Se vastaa aallonpituusaluetta 17 m 1,7 cm: Ihmisäänen taajuus on luokkaa 500 Hz. Se vastaa aallonpituutta 0.69 m. Ei ole sattuma, että aallonpituus on samassa kokoluokassa kuin ihmisen pituus. (Syy selviää seuraavalla luennolla.)

Valo on sähkömagneettista aaltoliikettä. Sen keksi Maxwell 1860-luvulla ja todisti kokeellisesti Heinrich Herz 1880-luvulla. Etenee ilman väliainetta. Se on itseään ylläpitävää sähkökentän ja magneettikentän oskillaatiota. Kaikki sähkömagneettinen säteily etenee tyhjössä valonnopeudella v valo = c = 99 79 458 m/s eli valo on miljoona kertaa nopeampaa kuin ääni.

Valon (ts. silmiemme aistiman sm-aallon) aallonpituudet ovat välillä 400 nm 700 nm. 1 nm (nanometri) = 10-9 m. Taajuudet saadaan kaavasta f = v/l. Esimerkiksi, jos aallonpituus on 600 nm (oranssi valo), taajuus on 5.00 ÿ 10 14 Hz.

Taitekerroin Kun valo etenee väliaineessa, kuten lasissa, vedessä ja ilmassa, sen nopeus on pienempi kuin c. Tämän syy on sm-kentän ja aineessa olevien elektronien väliset vuorovaikutukset. Valon nopeutta väliaineessa luonnehtii taitekerroin n (index of refraction): n valon nopeus tyhjössä valon nopeus aineessa c v Taitekerroin aineessa n > 1. Valon mennessä aineesta toiseen, sen nopeus muutuu. Nopeus on v = fl. Taajuus f ei riipu väliaineesta vaan sen määrää aallon lähde, joten valon aallonpituus muuttuu aineesta toiseen mentäessä. v aine Aallonpituus aineessa on f aine c/ n c/ n c/ ftyhjiö f f n n aine tyhjiö tyhjiö

Pane taitekertoimet suuruusjärjestykseen.

Äänen intensiteetti Intensiteetti on säteilyn teho pinta-alayksikköä kohti: I = P/a. Palloaallon tapauksessa aalto leviää pallon pinnalle, joten intesiteetti etäisyydellä r lähteestä on Plähde I 4r Etäisyyksillä r 1 ja r mitatut intensiteetit suhtautuvat siten toisiinsa kuten I1 I r r 1 Ihmisen kuuloraja on luokkaa 10-1 W/m ja kipuraja noin 10 W/m.

Äänenvoimakkuus (äänen intensiteettitaso) ilmaistaa desibeleinä (db): (10 db)log 10 I I 0 Äänenvoimakkuus kasvaa 10 desibeliä, kun intensiteetti kasvaa tekijällä 10. jossa I 0 = 1.0 ÿ 10-1 W/m eli intensiteetti kuulorajalla. Äänenvoimakkuus kuulorajalla on siten = 0: I 0 10 db)log10 (10 db)log (1) 0 db I0 ( 10 Äänenvoimakkuus kipurajalla on 10 W/m 13 (10 db)log (10 db)log10(10 ) 1 10 W/m 13 10 130 db

Esimerkki Lähes kipurajalla.

Dopplerin ilmiö ääniaalloille Kun aallon lähde liikkuu suhteessa havaitsijaan, aallon taajuus muutuu. Jos lähteen nopeus on v, ovat havaitut taajuudet Lähestyvä lähde Loittoneva lähde

Esimerkki