„Drgania i fale w przyrodzie”
advertisement
„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)
