DRGANIA. Rozważania rozpocznijmy od następującego układu wykonującego drgania



Podobne dokumenty
LIV OLIMPIADA FIZYCZNA 2004/2005 Zawody II stopnia

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa...

TEMAT: OBSERWACJA ZJAWISKA DUDNIEŃ FAL AKUSTYCZNYCH

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Dźwięk, gitara PREZENTACJA ADAM DZIEŻYK

Wykład 3: Jak wygląda dźwięk? Katarzyna Weron. Matematyka Stosowana

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

I gra gitara, czyli o fizyce gitary

Badanie efektu Dopplera metodą fali ultradźwiękowej

Drgania i fale sprężyste. 1/24

Akustyka muzyczna. Wykład 2 Elementy muzyki. O dźwięku. dr inż. Przemysław Plaskota

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

1. Po upływie jakiego czasu ciało drgające ruchem harmonicznym o okresie T = 8 s przebędzie drogę równą: a) całej amplitudzie b) czterem amplitudom?

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

SPRAWDZIAN NR 1. Oceń prawdziwość każdego zdania. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, lub F, jeśli jest fałszywe.

WYDZIAŁ EKOLOGII LABORATORIUM FIZYCZNE

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

Dmuchając nad otworem butelki można sprawić, że z butelki zacznie wydobywać się dźwięk.

Podstawy fizyki wykład 7

Badanie widma fali akustycznej

Ćw. 32. Wyznaczanie stałej sprężystości sprężyny

Fala na sprężynie. Projekt: na ZMN060G CMA Coach Projects\PTSN Coach 6\ Dźwięk\Fala na sprężynie.cma Przykład wyników: Fala na sprężynie.

Badanie widma fali akustycznej

Fale dźwiękowe i zjawisko dudnień. IV. Wprowadzenie.

Mierzymy długość i szybkość fali dźwiękowej. rezonans w rurze.

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

Wydział EAIiE Kierunek: Elektrotechnika. Wykład 12: Fale. Przedmiot: Fizyka. RUCH FALOWY -cd. Wykład /2009, zima 1

Akustyka muzyczna. Wykład 2 dr inż. Przemysław Plaskota

WYZNACZANIE PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ QUINCKEGO I KUNDTA

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Analiza harmoniczna dźwięku.

ANALIZA HARMONICZNA DŹWIĘKU SKŁADANIE DRGAŃ AKUSTYCZNYCH DUDNIENIA.

KOOF Szczecin:

LIGA klasa 2 - styczeń 2017

SCENARIUSZ ZAJĘĆ SZKOLNEGO KOŁA NAUKOWEGO Z PRZEDMIOTU FIZYKA PROWADZONEGO W RAMACH PROJEKTU AKADEMIA UCZNIOWSKA

36P5 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - V POZIOM PODSTAWOWY

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Na wykresie przedstawiono zależność drogi od czasu trwania ruchu dla ciał A i B.

4.2 Analiza fourierowska(f1)

Projekt efizyka. Multimedialne środowisko nauczania fizyki dla szkół ponadgimnazjalnych. Rura Kundta. Ćwiczenie wirtualne. Marcin Zaremba

Nauka o słyszeniu. Wykład I Dźwięk. Anna Preis,

Wyznaczanie prędkości rozchodzenia się dźwięku w powietrzu i w ciele stałym

KONSPEKT ZAJĘĆ EDUKACYJNYCH

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Ruch drgający. Ruch harmoniczny prosty, tłumiony i wymuszony

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Akustyka muzyczna. Wykład 8 Instrumenty dęte. dr inż. Przemysław Plaskota

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

1. Jeśli częstotliwość drgań ciała wynosi 10 Hz, to jego okres jest równy: 20 s, 10 s, 5 s, 0,1 s.

Fizyka skal muzycznych

Ruch falowy. Parametry: Długość Częstotliwość Prędkość. Częstotliwość i częstość kołowa MICHAŁ MARZANTOWICZ

Badanie roli pudła rezonansowego za pomocą konsoli pomiarowej CoachLab II

SCENARIUSZ LEKCJI Z FIZYKI DLA KLASY III GIMNAZJUM. Temat lekcji: Co wiemy o drganiach i falach mechanicznych powtórzenie wiadomości.

AKUSTYKA. Matura 2007

ĆWICZENIE 3 REZONANS AKUSTYCZNY

Dźwięk podstawowe wiadomości technik informatyk

E107. Bezpromieniste sprzężenie obwodów RLC

BADANIE SZEREGOWEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Tutaj powinny znaleźć się wyniki pomiarów (tabelki) potwierdzone przez prowadzacego zajęcia laboratoryjne i podpis dyżurujacego pracownika obsługi

Wyznaczanie prędkości dźwięku

Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

Przedmiotowy system oceniania z fizyki dla klasy III gimnazjum

Badanie drgań struny

1. Nazwy dźwięków Dźwięki szeregu półtonowego

Prowadzący: Kamil Fedus pokój nr 569 lub 2.20 COK konsultacje: środy

Ć W I C Z E N I E N R M-7

Doświadczalne wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

2LO 6 lu L 92, 93, 94 T3.5.2 Matematyczny opis zjawisk falowych cd. Na poprzednich lekcjach już było mamy to umieć 1. Ruch falowy 1.

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Karta pracy do doświadczeń

PRZYKŁADY RUCHU HARMONICZNEGO. = kx

Zadanie 18. Współczynnik sprężystości (4 pkt) Masz do dyspozycji statyw, sprężynę, linijkę oraz ciężarek o znanej masie z uchwytem.

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z ZAMKOREM FIZYKA I ASTRONOMIA. Styczeń 2013 POZIOM ROZSZERZONY

Imię i nazwisko ucznia Klasa Data

Ćw. nr 1. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

Autorzy: Tomasz Sokół Patryk Pawlos Klasa: IIa

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Ćwiczenie nr 25: Interferencja fal akustycznych

Krzysztof Łapsa Wyznaczenie prędkości fal ultradźwiękowych metodami interferencyjnymi

Nauka o słyszeniu. Wykład III +IV Wysokość+ Głośność dźwięku

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z FIZYKI Z ASTRONOMIĄ

Uczennica wyznaczyła objętość zabawki o masie 20 g po zanurzeniu jej w menzurce z wodą za pomocą sztywnego, cienkiego drutu (patrz rysunek).

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

Fala oscylacje w przestrzeni i w czasie. Zaburzenie, które rozchodzi się w ośrodku.

Kamerton 1. Problem 1: Dlaczego kamerton umieszczony na pudle rezonansowym słyszymy głośniej? Skąd bierze się dodatkowa energia?

Test sprawdzający wiedzę z fizyki z zakresu gimnazjum autor: Dorota Jeziorek-Knioła

Podstawy niepewności pomiarowych Ćwiczenia

Ruch drgający i falowy

Transkrypt:

DRGANIA Niniejszy przewodnik ma służyć jako pomoc i swego rodzaju przewodnik przy badaniu drgań podczas zajęć na Studium Podyplomowym Fizyki z Astronomia na UW. Kursywą napisano tematy do przemyślenia przed wykonaniem ćwiczenia. Terminy muzyczne podane są, by ułatwić późniejsze szukanie informacji innych źródłach. Rozważania rozpocznijmy od następującego układu wykonującego drgania Kulka zawieszona na sprężynie Zastanówmy się, jaki siły działają na taki układ. Są to siła sprężystości F s i siła F skierowane jak na rysunku. Przyrównanie obu sił doprowadza nas do równania: F s d x m = kx, dt gdzie m jest masą kulki, k - współczynnikiem sprężystości sprężyny zaś x - wychyleniem kulki z punktu równowagi. Przekształćmy to równanie do postaci d x k + x = 0. (1) F dt m W ten sposób otrzymaliśmy znane równanie oscylatora harmonicznego d x + ω x = 0. () dt Ja widać z porównania wzorów 1 i częstość drgań kulki na sprężynce jest równa k ω = (3) m Poniżej przedstawiona jest ilustracja ruchu harmonicznego o amplitudzie A wykonywanego przez kulkę na sprężynce wraz z opisem poszczególnych faz ruchu, oraz zależność wychylenia kulki od czasu, która w dla ruchu harmonicznego opisywana jest funkcją sinus. A A maksymalne wychylenie położenie równowagi maksymalne wychylenie

1.0 m aksym alne w ychylenie Wychylenie 0.5 0.0-0.5 amplituda położenie rów now agi -1.0 m aksym alne w ychylenie 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 c za s Zestaw doświadczalny: Masz do dyspozycji kulki (ciężarki) o różnych masach i sprężynki o różnych współczynnikach sprężystości, a ponadto stoper i miarkę. Wyznaczanie współczynnika sprężystości (pomiar okresu drgań) Pobudzamy sprężynkę z ciężarkiem do drgań. Częstość ω związana jest z okresem T następującą zależnością: ω = π. (4) T Porównanie powyższego wzoru (4), ze wzorem na częstość drgań układu kulka - sprężynka (3), pozwala uzyskać zależność współczynnika sprężystości k od okresu drgań T 4π k = m (5) T Zaplanuj pomiary uwzględniając fakt, że masz do dyspozycji różne masy. W jakich jednostkach mierzony jest współczynnik sprężystości? Zastanów się, w jaki sposób dokładnie zmierzyć krótki okres drgań. W jaki sposób opracować uzyskane wyniki pomiarów? Czy w tym przypadku istnieje różnica pomiędzy zastosowaniem średniej i dopasowaniem prostej? F s Wyznaczanie współczynnika sprężystości (prawo Hooka) Tym razem wieszamy na sprężynce kolejne ciężarki. Siła rozciągająca sprężynkę równa jest w tym przypadku ciężarowi kulki Q Q = mg (6) Jednocześnie siła F s równa jest k ( l ) F s = (7) l 0 F=Q gdzie x jest wydłużeniem sprężynki o spoczynkowej długości l 0

Połączenie wyrażeń (7) i (8) daje równanie łączące masę, wydłużenie sprężynki i współczynnik sprężystości: mg = k l (8) ( ) Zaplanuj pomiary, jakie wykonasz w tym przypadku Jak tym razem opracujesz wyniki pomiarów? Czy metoda wyciągania średniej i dopasowania prostej są w tym przypadku równoznaczne? Jakie są niepewności pomiarowe w tym eksperymencie? Porównaj dokładność obu metod. Sprężynka jako waga Mając sprężynkę o znanym współczynniku k wyznacz masę nieznanej kulki. W jaki sposób to zrobisz? Pamiętaj, że współczynnik sprężystości k wyznaczyłeś dwoma niezależnymi metodami. Jak to uwzględnić? Zastanów się nad niepewnościami pomiarowymi w tym doświadczeniu. Po wyznaczeniu masy kulki sprawdź otrzymany rezultat ważąc ciężarek. l 0 DŹWIĘKI Każdy dźwięk można scharakteryzować przez wysokość, barwę i głośność. Wysokość, czyli w języku fizyki częstotliwość. Człowiek słyszy dźwięki od ok. 0Hz (17,m) do 0kHz (1.7cm). Barwa, czyli zawartość składowych harmonicznych (zwanych przez muzyków alikwotami). To właśnie barwa sprawia, że dźwięki różnych instrumentów brzmią odmiennie. Głośność. Człowiek słyszy dźwięki od ok. 10-1 W/m (próg słyszalności) do ok. 1W/m (próg bólu). Wartości te są różne dla różnych częstotliwości dźwięku. Skala muzyczna to osiem dźwięków. Najlepiej wszystkim znana jest gama C-dur. Tworzą ją następujące dźwięki c d e f g a h c 1 * (czyli solmizacyjnie doskonale wszystkim znane do re mi fa sol la si do). Dźwiękom tym odpowiadają białe klawisze na fortepianie. Dźwięk ósmy i pierwszy są odległe o oktawę, czyli stosunek ich częstotliwości wynosi. Dokładniejsze dane przedstawione są poniżej. * jest to naturalny szereg diatoniczny

nazwa dźwięku częstotliwość stosunek częstotliwości danego dźwięku do poprzedniego dźwięku stosunek częstotliwości dżwięku c do częstotliwości danego dźwięku nazwa interwału (w stosunku do dźwięku c) c 61,6 Hz 1,00 pryma d 93,7 Hz 1,1 0,89 sekunda e 39,6 Hz 1,1 0,79 tercja f 349,6 Hz 1,06 0,75 (3/4) kwarta g 391,9 Hz 1,1 0,67 (/3) kwinta a 440,0 Hz 1,1 0,59 seksta h 493,8 Hz 1,1 0,53 septyma c1 53, Hz 1,07 0,49 (1/) oktawa Warto zauważyć, że przedstawiona skala muzyczna nie ma stałych stosunków częstotliwości pomiędzy kolejnymi dźwiękami. Stosunek ten jest mniejszy dla par par e-f oraz h-c 1 i wynosi ok. 1,06. W związku z tym pomiędzy pozostałe dźwięki wprowadzono dodatkowe (czarne klawisze na fortepianie). Dało to 1 półtonów w szeregu geometrycznym odległym o () 1/1 1,059. Jest to skala temperowana. c cis d dis e f fis g gis a ais h c 1 Co ciekawe, dwunastostopniowa skala półtonowa jest typowa dla muzyki europejskiej. Muzyka perska dzieliła oktawę na 4 części, arabska na 17, hinduska zaś na. Słów kilka o strunach? Jeśli weźmiemy pod uwagę prędkość dźwięku w strunie (v), to zależy ona od dwóch czynników - siły naciągu struny (F) i masy tej struny na jednostkę długości (µ). F v = µ Zamocowanie struny na dwóch końcach narzuca nam długość fali stającej, która będzie tam powstawać. węzeł fali strzałka fali mod podstawowy pierwsza harmoniczna λ=l/ druga harmoniczna λ=l trzecia harmoniczna λ=3l/

Prędkość dźwięku w ośrodku (v) i długość fali (λ) wiążą się z częstotliwością (f) w następujący sposób v f = λ Dlatego im grubsza jest struna, tym niższy wydaje dźwięk, a im mocniej ją naciągamy, tym dźwięk staje się wyższy. Po co gitarze pudło rezonansowe? Klasyczne wyjaśnienie jest następujące: szarpiąc strunę pobudzamy ją do drgań. Drgania struny prowadza do zagęszczania i rozrzedzania powietrza, czyli do powstania fal dźwiękowych. Pod wpływem drgań powietrza zaczyna drgać pudło rezonansowe. Dzięki temu, że struna wciąż drga, pudło jest wciąż pobudzane do drgań i w efekcie dźwięk jest wielokrotnie silniejszy niż gdyby struna drgała w powietrzu. Jeśli jeszcze pudło jest dobrane odpowiednio, tzn. tak, żeby wzmacniało tak samo wszystkie długości fal, a nie tylko jedną. Na pierwszy rzut oka wygląda, że wszystko jest w porządku, ale jak zastanowić się nad problem głębiej, to pojawiają się pewne ale Jeśli szarpnę strunę, to dostarczę jej energii, ale dostarczę jej tej samej energii niezależnie od tego czy jest przymocowana do pudła rezonansowego, czy nie. Jednak w pierwszym przypadku dźwięk, który słyszymy, jest znacznie głośniejszy. Co zatem z zasada zachowania energii? Czy pudło rezonansowe jest perpertuum mobile? Oczywiście, że nie! Musimy zatem poszukać jakiegoś fizycznego wyjaśnienia. Za każdym razem dostarczamy strunie tyle samo energii, ale obecność pudła sprawia, że struna traci energię szybciej, a zatem dźwięk jest głośniejszy, ale trwa krócej. Krótki kurs obsługi gitary (czyli gdzie jest który dźwięk) Aby regulować wysokość dźwięku wydawanego przez gitarę najprościej jest zmieniać długość struny. W tym celu dociskamy strunę do kolejnych progów. Zmiana progu o jeden powoduje zmianę dźwięku o półton. Na schemacie przedstawiony został klasyczny strój sześciostrunowej gitary. dźwięk na strunie pustej progi I II III IV V e1 f1 fis1 g1 gis1 a1 h c1 cis1 d dis e1 g gis a ais h c1 d dis e f fis g A Ais H c cis d E F Fis G Gis A na podstawie: R. Demkowicz-Dobrzański, M. Korzyński Po co gitarze pudlo rezonansowe?, Delta (dostępny pod adresem http://www.cft.edu.pl/~demko/teksty/gitara.pdf )

Nasze małe laboratorium zjawisk falowych Interferencja Na głośniki podaj sygnał z generatora komputerowego. Ustaw głośniki naprzeciw siebie. Spróbuj znaleźć za pomocą mikrofonu i oscyloskopu takie miejsca, w których dźwięk ulegnie wygaszeniu. Rezonans Pobudzamy do drgań najgrubszą strunę naciśnietą na piąty progu. Jeśli gitara jest dobrze nastrojona, sąsiednia struna zostaje również pobudzona do drgań, mimo, ze wcale jej nie dotykamy. Dudnienia Kiedy dodajemy dźwięki o bliskich sobie częstotliwościach, w wyniku dostajemy dźwięk, który wyraźnie słychać raz głośniej, raz ciszej. Wyjaśnienie efekt ten jest wyraźnie widoczny na obrazku przedstawiającym sumowanie drgań o bliskich częstościach. Amplituda Amplituda Amplituda 1 0-1 - 1 0-1 - 1 0-1 - sin(1t) sin(0t) sin(0t)+sin(1t) 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Czas Spróbuj uzyskać ten efekt na gitarze pobudzając do drgań jednocześnie pierwsza (najgrubsza) strunę naciśnięta na czwartym progu i pusta drugą Składowe harmoniczne Struna pobudzona do drgań, drga z różnymi modami. Jeśli spróbujemy stłumić ruch struny w jakimś miejscu, to ograniczymy możliwe drgania do takich, które mają w tym miejscu węzeł. Jeśli zaś będziemy próbowali pobudzić do drgań strunę, szarpiąc ją, to niemożliwe jest wzbudzenie drgania, które ma w miejscu szarpania węzeł. Muzycy nazywają wytwarzanie wybranych wyższych harmonicznych na gitarze graniem flażoletów. Spróbuj znaleźć miejsca, w których trzeba pobudzić (lub wytłumić) strunę, by uzyskać duże natężenie wyższych harmonicznych.

Poza miejscem pobudzania na barwę tonu wpływa także sposób pobudzenia struny - inny dźwięk uzyskamy pobudzając łagodnie, opuszkiem palca, inny twardym przedmiotem (kostką, paznokciem ) Zbadaj kształt dźwięku (natężenie w funkcji czasu) i zrób analizę harmoniczną (widmo częstości) dla pobudzania struny w różny sposób. Ucho i mózg ludzki Pitagoras twierdził, że aby dwie struny brzmiały dobrze, ich długości powinny pozostawać w stosunku niewielkich liczb całkowitych. Sprawdź, czy miał rację. Poszukaj dźwięków, które dobrze razem współbrzmią na tej samej strunie np. jedna osoba uderza w pusta strunę, druga (na drugiej gitarze) próbuje kolejnych dźwięków na tej samej strunie. Zbadaj stosunek długości struny od miejsca przyciśnięcia do miejsca podparcia i porównaj z długością pustej struny. Czy umiesz znaleźć, jakim muzycznym interwałom to odpowiada? (Dla ułatwienia w tabeli na stronie 4 podano, jakim ułamkom zwykłym odpowiadają stosunki częstotliwości.) Głos ludzki Określ widmo własnego głosu. Spróbuj zaśpiewać różne samogłoski. Jakie różnice widać w widmie dźwięku męskiego i kobiecego? A może masz jakieś inne pomysły? Źródła inspiracji do dalszych eksperymentów: Jan Gaj Harmonia strun, rur i prętów Wiedza i życie, 1/001 Jan Gaj Drgania w rezonatorach instrumentów muzycznych Wiedza i życie, 1/001 http://www.daktik.rubikon.pl/slowniczek/spis_akustyka.htm doskonała strona o fizyce, w tym sporo informacji o muzyce w dziale akustyka