„Drgania i fale w przyrodzie”
Andrzej
Projekt pod tytułem „Drgania i fale w przyrodzie” realizowany był przez sześciu uczniów
z klasy 2f: Andrzeja Noconia, Szymona Golca, Grzegorza Myrlaka, Jakuba Gaja, Piotra Nowaka
oraz Wojtka Pawlika.
Głównymi celami projektu było rozbudzenie w nas zainteresowania fizyką, kształtowanie
umiejętności związanych z podejmowaniem konkretnych działań: od fazy ich planowania
i poszukiwania wsparcia, aż po realizację i ocenę zadań. Realizując projekt postanowiliśmy
odpowiedzieć na pytania:








Czym jest fala sprężysta i jaki jest mechanizm jej rozchodzenia się?
Jakie właściwości ma fala dźwiękowa?
Jakim zjawiskom ulegają fale dźwiękowe?
Jak powstaje nasz głos i jak słyszymy?
Od czego zależą dźwięki?
Hałas i jak można mu zapobiec?
Czym są ultradźwięki i infradźwięki?
Czy dźwięki można zobaczyć?
W naszym projekcie uwzględniliśmy również drgania występujące w przyrodzie,
zastosowanie drgań różnych ośrodków materialnych w instrumentach muzycznych. Staraliśmy
się również wytłumaczyć zjawisko Dopplera i zjawisko rezonansu.
Zebrane materiały posłużyły nam do przygotowania prezentacji. Wiedząc jak ważną rolę
w nauczaniu pełni doświadczenie przygotowaliśmy również doświadczenia, które przybliżą
i pokażą to, czym zajmowaliśmy się przez ostatnie tygodnie.
Szymon
Ruch drgający prosty jest ruchem najczęściej
spotykanym w przyrodzie. Przykładami takiego ruchu są:
ruch struny instrumentu, ruch ciężarka zawieszonego na
sprężynie, bicie serca, ruch wahadła czy drgania
kamertonu.
Ciało drgające może przekazywać drgania innemu ciału. Zjawisko to nazywamy
rezonansem. Przekazywania drgań (energii drgań) ciał może zachodzić między ciałami takiej
samej częstotliwości drgań własnych.
Przeprowadźmy doświadczenie:
Pobudzam do drgań wahadło dłuższe, obserwujemy, że jego drgania stopniowo zanikają,
a coraz bardziej zaczyna się wahać drugie długie wahadło o takiej samej długości. Wahadło
krótkie pozostaje cały czas w spoczynku.
Zjawisko rezonansu jest wykorzystywane w różnorodnych urządzeniach akustycznych,
w obwodach prądu zmiennego i w fizyce atomowej. Niekiedy jednak należy unikać jego
skutków. Drgania maszyn lub urządzeń, albo też powtarzające się okresowo podmuchy wiatru,
mogą się bowiem znaleźć w rezonansie z drganiami własnymi budynków, mostów i spowodować
ich zniszczenie w wyniku ogromnego wzrostu amplitudy drgań wymuszonych.
Przykładem jest rezonans mostu w Tacoma w USA i na Wołdze na Ukrainie.
http://www.youtube.com/watch?v=j-zczJXSxnw
http://www.youtube.com/watch?v=lONsMackJK0
Kuba
Katastrofa mostu w Tacoma miała miejsce w mieście Tacoma w Stanach Zjednoczonych
Ameryki Jego otwarcie miało miejsce w maju 1940 r. Jednak już 7 listopada tego samego roku
most zawalił się. Most wiszący w Tacoma miał główne przęsło o długości 840 m przy szerokości
jedynie 12 m, co było przyczyną jego niebywałej wiotkości. Pracujący przy budowie robotnicy
skarżyli się na mdłości wynikające z dużych ugięć mostu. Już po otwarciu most stał się niemal
atrakcją turystyczną ze względu na niesamowite doznania towarzyszące przejeżdżaniu bądź
przechodzeniu po nim. Z tego powodu Tacoma Narrows zyskał sobie miano "Galopującej
Getry".
Po czterech miesiącach istnienia, rano 7 listopada 1940 roku silny sztorm wiejący od
oceanu spowodował wprowadzenie mostu w drgania. Nie było ofiar w ludziach. Przyczyną
katastrofy mostu, oprócz wymienionej małej sztywności przęseł, była także niewystarczająca
stateczność aerodynamiczna i związana z nią nieszczęśliwa zbieżność częstości własnej drgań
przęseł i pylonów (zjawisko rezonansu).
W 2010 r na Wołdze pod Wołgogradem na Ukrainie zaczął falować na wysokość 1m,
podrzucając samochody, znajdujące się na moście. Falowanie mostu prawdopodobnie wywołał
wstrząs sejsmiczny, który wywołał rezonans konstrukcji mostu. Most w rosyjskim Wołgogradzie
już nie faluje i stał się stabilny dzięki specjalnemu tłumikowi drgań, którego pomysł opracowali
badacz z krakowskiej Akademii Górniczo-Hutniczej i naukowiec z instytutu Empa w Szwajcarii.
Grzegorz
Trzęsieniem ziemi nazywamy drgania skorupy ziemskiej, która składa się z płyt litej
skały. Poruszają się wolno, a z czasem ślizgają się wzdłuż siebie. Największe drgania występują
na stykach płyt. Dlatego w miejscu łączenia płyt tektonicznych występują największe trzęsienia
ziemi.
Tsunami to fala oceaniczna,
wywołana
podwodnym
trzęsieniem
ziemi
lub
wybuchem wulkanu. Fale rozchodzą się pierścieniowo od miejsca jej wzbudzenia.
11 marca 2011r. tsunami wywołane trzęsieniem ziemi zalało cześć Japonii, powodując olbrzymie
straty.
http://www.youtube.com/watch?v=WkjYkegbSSM
http://www.youtube.com/watch?v=H46eklYs1Hs
Szymon
Falą mechaniczną nazywamy zjawisko rozchodzenia się zaburzeń ośrodka. Źródłem fali jest ciało
drgające.
Wytrącenie zespołu cząsteczek takiego ośrodka z położenia równowagi powoduje ich drganie
wokół tego położenia, przy czym wskutek jego właściwości sprężystych zaburzenie przenosi się
z jednej warstwy ośrodka na następną, wprawiając ją w ruch drgający o takim samym okresie
drgań. Takie właśnie przenoszenie drgań nazywamy ruchem falowym lub krótko falą.
Kuba
Doświadczenie z kamertonem i piłeczką
Przeprowadzę teraz doświadczenie, w którym pokażę oddziaływanie drgającego
kamertonu na piłeczkę pingpongową. Wprawiam w ruch widełki kamertonu i zbliżam
do piłeczki, ale jej nie dotykam. Widzimy jak piłeczka odskakuje od kamertonu. Drgający
kamerton uderza w cząsteczki powietrza, wprawia je w ruch, a te z kolei uderzają w piłeczkę
powodując, że ona zaczyna się poruszać. Ten sam kamerton wprawia również w ruch
te cząsteczki powietrza, które trafiają do naszych uszu, uderzają w błonę bębenkową, powodują,
że wszyscy słyszymy to drganie.
Wojtek
Fale mechaniczne nie mogą rozchodzić się w próżni. Rozchodzą się w ośrodkach
sprężystych. W zależności od kierunku drgań cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku
rozchodzenia się fali rozróżnia się fale poprzeczne i fale podłużne. Fala poprzeczna to taka
fala, której cząsteczki ośrodka drgają w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się
fali. Przykładem są fale rozchodzące się kołowo na powierzchni wody po wrzuceniu kamienia.
Fala podłużna jest to fala, której cząsteczki ośrodka drgają w kierunku zgodnym z kierunkiem
rozchodzenia się fali.
Taką falę wzbudzę teraz przewracając kostki domina.
Doświadczanie ze świecami
Inny przykład fali podłużnej pokażę wykorzystując metalową puszkę z gumową
membraną z jednej strony a z drugiej wyciętym otworem w wieczku. Wprawiam w ruch
membranę, a ta z kolei uderza w powietrze znajdujące się w puszce. Spręża je. Powietrze
rozpręża się i wydostaje z puszki uderzając w kolejne partie powietrza. Takie następujące po
sobie zagęszczenia i rozrzedzenia cząsteczek ośrodka to fala głosowa czyli akustyczna.
Niesie ona z sobą energię. Trafiając na błonę bębenkową naszego ucha wprawia ją w drgania.
U nas trafiła w zapalone świece gasząc je.
Piotrek
Podobne zjawisko rozchodzenia się drgań cząsteczek można zaobserwować w rurze
wypełnionej powietrzem, jeżeli w jednym z jej końców wywołane zostanie zagęszczenie.
Rozchodząca się w rurze fala podłużna polega na zagęszczaniu i rozrzedzaniu drgających warstw
powietrza. (Zagranie na winidurowej rurce.)
Grająca rura
Ciekawy efekt możemy uzyskać za pomocą rury Reicha. Wewnątrz rury znajduje się
stalowa siatka. Za pomocą palnika ogrzewamy powietrze wewnątrz rury i wspomnianą wcześniej
siatkę. Po ustawieniu rury w pionie słyszymy głośny dźwięk. Nie słychać go jeżeli rurę ustawimy
poziomo. Wiemy, że ogrzane powietrze wędruje do góry. Jeżeli rurę ustawimy pionowo to
ogrzane powietrze w rurze porusza się górę, a na to miejsce wpływa chłodniejsze powietrze.
Napotykając na rozgrzaną siatkę ogrzewa się i rozpręża zwiększając swoją objętość. Część
przechodzi do góry a część cofa się. Następnie już ogrzane przechodzi przez siatkę. W jego
miejsce napływa znowu chłodne powietrze i cały cykl powtarza się. W efekcie powstają drgania,
które są wzmacniane w sposób rezonansowy przez tą rurę.
Falą akustyczną nazywa się zarówno falę, która powoduje wrażenie słuchowe (dźwięk), jak i fale
o częstotliwościach i amplitudach przekraczających zakres ludzkich zmysłów, ponieważ
właściwości fizyczne tych fal są bardzo podobne.
Człowiek słyszy dźwięki o częstotliwościach od 20 – 20000 Hz.
Whiteboard-Fizyka – wyd. ZamKor w Krakowie
Cechy charakterystyczne dźwięku to:
Wysokość dźwięku, która zależy od częstotliwości; (im większa częstotliwość fali, tym
wyższy dźwięk)
Głośność dźwięku zależy od natężenia (amplitudy);
Natężenie powyżej 90 dB jest szkodliwy dla zdrowia
Barwa zależy od składu widmowego fali akustycznej. Pozwala np. odróżniać dźwięki
wytwarzane przez różne źródła.
Whiteboard-Fizyka – wyd. ZamKor w Krakowie
Andrzej
Do tej pory wszystkie dźwięki słyszeliśmy. Teraz zobaczymy dźwięki wykorzystując
komputer z odpowiednim programem. (Za pomocą programu Oscyloskop obserwacja tonów
dźwięków jakie wydają pocierane mokrym palcem kieliszki)
Andrzej
Wiemy już, że źródłem dźwięków słyszalnych są ciała wprawione w drgania, których
energia jest dostateczna, aby wywołać w naszym uchu najsłabsze wrażenia słuchowe. Drgania
wykorzystywane są również w instrumentach muzycznych.
Można je podzielić na kilka podstawowych grup w zależności od sposobu, w jaki wydobywa się
z nich dźwięk i materiału z jakiego zostały wykonane:
•
Instrumenty perkusyjne (np. kocioł, marakasy)
•
Instrumenty dęte (np. trąbka, puzon)
•
Chordofony - strunowe instrumenty muzyczne, które dzielą się na:
 Instrumenty smyczkowe (np. skrzypce, wiolonczela)
 Instrumenty szarpane (np. gitara, klawesyn)
 Chordofony uderzane (np. fortepian, celesta)
Realizując projekt postanowiliśmy sami wykonać instrumenty muzyczne. Przedstawicielami
perkusyjnych są grające butelki i dzwonki, dętych – kobza i grające rury, a strunowych gitara.
Posłuchajcie jak można na nich grać.
Wojtek
Widzieliśmy, że dźwięki możemy uzyskać pobudzając do drgań różne ciała.
Na koniec chcemy wam zaproponować wspólne wytwarzanie dźwięków. Czyli zagramy na
rurkach o różnych długościach.
(Uczniowie rozdają rurki różnej długości wykonane wg. propozycji ze strony:
http://www.dzieciecafizyka.pl/eksperymenty/rurkipcv/rurkipcv.html)
Download

„Drgania i fale w przyrodzie”