Έχετε αναρωτηθεί ποτέ τι είναι ένα κύμα;
Kύμα: η μετάδοση μιας διαταραχής από μια ταλαντούμενη πηγή σε ένα υλικό μέσο (στερεό, υγρό ή αέριο) με την πάροδο του χρόνου. Τα κύματα μεταφέρουν ενέργεια, όχι όμως μάζα.
Δείτε το παρακάτω βίντεο και σχολιάστε:
Τα δύο σημαντικότερα είδη κυμάτων είναι τα εγκάρσια και τα διαμήκη:
Σχολιάστε: Τι διαφορά έχει ένα εγκάρσιο από ένα διάμηκες κύμα;
Ποια είναι τα χαρακτηριστικά ενός κύματος;
Ας δούμε τη μορφή ενός εγκάρσιου κύματος και τη μορφή ενός διαμήκους κύματος. Οι παρακάτω εικόνες αποτελούν στιγμιότυπα (βλέπε «φωτογραφίες») ενός εγκάρσιου και ενός διαμήκους κύματος μία συγκεκριμένη χρονική στιγμή:
Εικ.1: Στιγμιότυπο ενός εγκάρσιου κύματος
Εικ.2: Στιγμιότυπο ενός διαμήκους κύματος.
Σχολιάστε: Τι είναι το πλάτος ενός κύματος; Τι είναι το μήκος κύματος; Σε τι μονάδες μέτρησης μετριούνται; Τι είναι η ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος;
Πλάτος (Α): Είναι η μέγιστη απομάκρυνση ενός μορίου του μέσου διάδοσης του κύματος από τη θέση ισορροπίας του. Μετριέται σε m.
Μήκος κύματος (λ): Είναι η απόσταση ανάμεσα σε δύο διαδοχικές κοιλίες ή όρη (για τα εγκάρσια κύματα) – ή ανάμεσα σε δύο διαδοχικά πυκνώματα και αραιώματα (για τα διαμήκη κύματα. Μετριέται σε m.
Ταχύτητα διάδοσης (u): Είναι η ταχύτητα με την οποία διαδίδεται ένα κύμα. Εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου διάδοσης του κύματος. Μετριέται σε m/s.
Η παρακάτω εικόνα μας δείχνει την κίνηση ενός μορίου υλικού μέσου στο οποίο διαδίδεται ένα εγκάρσιο κύμα σαν συνάρτηση του χρόνου.
Εικ.3 Ταλάντωση ενός μορίου συναρτήσει του χρόνου σε ένα εγκάρσιο κύμα
Περίοδος (Τ): Είναι ο χρόνος που μεσολαβεί ανάμεσα στην άφιξη δύο διαδοχικών μεγίστων ή ελαχίστων του κύματος σε ένα σημείο. Μετριέται σε sec.
Συχνότητα (f): Aριθμός ταλαντώσεων/sec. Η συχνότητα ενός κύματος αναφέρεται στο πόσο συχνά τα σωματίδια του μέσου δονείται όταν ένα κύμα περνά μέσα από το μέσο. Η συχνότητα ενός κύματος μετράται ως ο αριθμός των πλήρων ταλαντώσεων ενός σωματιδίου του μέσου ανά μονάδα χρόνου. H συχνότητα ενός κύματος είναι ίση με τη συχνότητα ταλάντωσης της πηγής του. Μετριέται σε Hz.
H συχνότητα και η περίοδος συνδέονται από τη σχέση: f = 1/T
Η θεμελιώδης σχέση της κυματικής
Η θεμελιώδης σχέση της κυματικής συνδέει την ταχύτητα διάδοσης ενός κύματος με το μήκος κύματος και τη συχνότητά του:
Εικ.4: Η θεμελιώδης εξίσωση της κυματικής
Εφαρμογή στον ήχο
Τι πιστεύετε οτι είναι ο ήχος;;
Ο ήχος είναι ένα διάμηκες κύμα.
Ένα ηχητικό κύμα, όπως κάθε άλλο κύμα, εισάγεται σε ένα μέσο από ένα δονούμενο αντικείμενο: μία ηχητική πηγή. Το δονούμενο αντικείμενο που δημιουργεί τη διαταραχή μπορεί να είναι οι φωνητικές χορδές ενός ανθρώπου, μια ταλαντούμενη χορδή, ένα αντικείμενο που χτυπήσαμε, το διάφραγμα ενός ραδιοφωνικού ηχείου κ.α.
Τα μόρια του υλικού μέσου αρχίζουν να ταλαντώνονται κατά μήκος της διάδοσης του ηχητικού κύματος. Άλλοτε έρχονται πιο «κοντά» με αποτέλεσμα να έχουμε ένα πύκνωμα, δηλαδή αυξάνεται η πυκνότητα και η πίεση του υλικού. Άλλοτε απομακρύνονται μεταξύ τους ώστε να έχουμε ένα αραίωμα, δηλαδή ελαττώνεται η πυκνότητα και η πίεση του υλικού.
Εικ. 5: Η διάδοση του ήχου.
Η συχνότητα του ήχου
Η συχνότητα του ήχου ισούται με τον αριθμό πυκνωμάτων ή αραιωμάτων που εκπέμπει μια ηχητική πηγή κάθε δευτερόλεπτο.
Η συχνότητα του ήχου σχετίζεται άμεσα με το τονικό ύψος: το πόσο οξύς η βαρύς ακούγεται ένας ήχος στα αυτιά μας.
Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να ακούσει συχνότητες από 20 Hz έως και 20.000 Hz.
Ορισμένα ηχητικά κύματα που όταν παίζονται ταυτόχρονα παράγουν μια ιδιαίτερα ευχάριστη αίσθηση όταν ακουστούν, λέγεται ότι συμφωνούν. Η αναλογία (πηλίκο) συχνοτήτων δύο τέτοιων σύμφωνων κυμάτων συνιστά ένα μουσικό διάστημα. Για παράδειγμα, δυο ήχοι των οποίων οι συχνότητες σχηματίζουν λόγο 2:1 (π.χ ένας ήχος συχνότητας 512 Hz και ένας 256 Hz) λέγεται ότι χωρίζονται κατά μια οκτάβα. Δηλαδή, δύο ηχητικά κύματα που παίζονται μαζί, αν ένας ήχος έχει διπλάσια συχνότητα από την άλλη, ακούγονται αρμονικά.
Δραστηριότητα: Συχνότητα και τονικό ύψος
Πειραματιστείτε και εξερευνήστε μόνοι σας τα όρια της ακοής σας!
