SÓNG CƠ HỌC: ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT, CÔNG THỨC, LOẠI - VẬT LÝ - 2026

Một sóng cơ học là một sự xáo trộn mà cần một phương tiện vật chất để phát tán. Ví dụ gần nhất là trong âm thanh, có khả năng truyền qua chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn.

Các sóng cơ học nổi tiếng khác là những sóng được tạo ra khi dây căng của một nhạc cụ được gảy. Hoặc những gợn sóng hình tròn điển hình do một viên đá ném xuống ao.

Hình 1. Các dây căng của một nhạc cụ dao động với sóng ngang. Nguồn: Pixabay.

Sự nhiễu loạn truyền qua môi trường tạo ra các dịch chuyển khác nhau trong các hạt tạo nên nó, tùy thuộc vào loại sóng. Khi sóng đi qua, mỗi hạt trong môi trường thực hiện các chuyển động lặp đi lặp lại làm tách nó khỏi vị trí cân bằng trong thời gian ngắn.

Thời gian của nhiễu động phụ thuộc vào năng lượng của nó. Trong chuyển động của sóng, năng lượng là những gì truyền từ bên này sang bên kia của môi trường, vì các hạt dao động không bao giờ đi lạc quá xa nơi xuất phát của chúng.

Sóng và năng lượng nó mang theo có thể truyền đi những quãng đường rất xa. Khi con sóng biến mất, đó là bởi vì năng lượng của nó cuối cùng đã tiêu tan ở giữa, để lại mọi thứ yên tĩnh và im lặng như trước khi xáo trộn.

Các loại sóng cơ học

Sóng cơ học được phân thành ba nhóm chính:

- Sóng ngang.

- Sóng dọc.

- Sóng bề mặt.

Sóng ngang

Trong sóng biến dạng, các hạt chuyển động vuông góc với phương truyền sóng. Ví dụ, các hạt của sợi dây trong hình sau đây dao động theo phương thẳng đứng trong khi sóng chuyển động từ trái sang phải:

Hình 2. Sóng ngang trong một sợi dây. Phương truyền sóng và phương chuyển động của từng hạt là vuông góc với nhau. Nguồn: Sharon Bewick

Sóng dọc

Trong sóng dọc, hướng truyền và hướng chuyển động của các hạt song song với nhau.

Hình 3. Sóng dọc. Nguồn: Polpol

Sóng bề mặt

Trong sóng biển, sóng dọc và sóng ngang được kết hợp trên bề mặt, do đó chúng là sóng bề mặt, di chuyển trên biên giới giữa hai phương tiện khác nhau: nước và không khí, như thể hiện trong hình sau.

Hình 4. Sóng biển kết hợp giữa sóng dọc và sóng ngang. Nguồn: được sửa đổi từ Pixabay.

Khi sóng vỗ bờ, thành phần dọc chiếm ưu thế. Do đó, quan sát thấy tảo gần bờ có sự di chuyển qua lại.

Ví dụ về các loại sóng khác nhau: chuyển động địa chấn

Trong các trận động đất, nhiều loại sóng khác nhau được tạo ra truyền đi trên toàn cầu, bao gồm sóng dọc và sóng ngang.

Sóng địa chấn dọc được gọi là sóng P, còn sóng ngang là sóng S.

Ký hiệu P là do chúng là các sóng áp suất và chúng cũng là sóng chính khi đến trước, trong khi các sóng ngang là S cho "lực cắt" hoặc cắt và cũng là sóng phụ, vì chúng đến sau P.

Đặc điểm và tính chất

Các sóng màu vàng trong Hình 2 là các sóng tuần hoàn, bao gồm các nhiễu giống hệt nhau di chuyển từ trái sang phải. Lưu ý rằng cả a và b đều có cùng giá trị trong mỗi vùng sóng.

Sự nhiễu loạn của sóng tuần hoàn được lặp lại cả trong thời gian và không gian, áp dụng dạng đường cong hình sin được đặc trưng bởi có các đỉnh hoặc đỉnh, là điểm cao nhất và thung lũng nơi có điểm thấp nhất.

Ví dụ này sẽ phục vụ cho việc nghiên cứu các đặc tính quan trọng nhất của sóng cơ học.

Biên độ sóng và bước sóng

Giả sử rằng sóng trong hình 2 đại diện cho một sợi dây dao động, đường màu đen dùng làm tham chiếu và chia đoàn tàu thành hai phần đối xứng. Đường này sẽ trùng với vị trí mà sợi dây đang dừng.

Giá trị của a được gọi là biên độ của sóng và thường được ký hiệu bằng chữ A. Về phần nó, khoảng cách giữa hai vân hay hai đỉnh liên tiếp là bước sóng l và ứng với độ lớn gọi là b trong hình 2.

Khoảng thời gian và tần suất

Là hiện tượng lặp lại theo thời gian, sóng có chu kỳ T là thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ hoàn chỉnh, còn tần số f là số nghịch đảo hoặc nghịch đảo của chu kỳ và tương ứng với số chu kỳ thực hiện trên một đơn vị thời gian .

Tần số f có đơn vị trong Hệ thống quốc tế là nghịch đảo của thời gian: s ^-1 hoặc Hertz, để vinh danh Heinrich Hertz, người đã phát hiện ra sóng vô tuyến vào năm 1886. 1 Hz được hiểu là tần số tương đương với một chu kỳ hoặc dao động mỗi thứ hai.

Vận tốc v của sóng liên hệ tần số với chiều dài của sóng:

v = λ.f = l / T

Tần số góc

Một khái niệm hữu ích khác là tần số góc ω được cho bởi:

ω = 2πf

Tốc độ của sóng cơ học khác nhau tùy thuộc vào môi trường mà chúng truyền đi. Theo nguyên tắc chung, sóng cơ học có tốc độ cao hơn khi chúng truyền qua chất rắn, và chúng chậm hơn trong các chất khí, kể cả khí quyển.

Nói chung, tốc độ của nhiều loại sóng cơ được tính bằng biểu thức sau:

Ví dụ: đối với một làn sóng truyền dọc theo một hợp âm, tốc độ được cho bởi:

Lực căng của dây có xu hướng đưa dây trở lại vị trí cân bằng, trong khi mật độ khối lượng ngăn cản điều này xảy ra ngay lập tức.

Công thức và phương trình

Các phương trình sau đây rất hữu ích trong việc giải các bài tập sau:

Tần số góc:

ω = 2πf

Giai đoạn = Stage:

T = 1 / f

Mật độ tuyến tính khối lượng:

v = λ.f

v = λ / T

v = λ / 2π

Tốc độ của sóng truyền trong một sợi dây:

Ví dụ về công việc

Bài tập 1

La onda sinusoidal mostrada en la figura 2 se desplaza en la dirección del eje x positivo y tiene una frecuencia de 18.0 Hz. Se sabe que 2a = 8.26 cm y b/2 = 5.20 cm. Encontrar:

a) Amplitud.

b) Longitud de onda.

c) Período.

d) Velocidad de la onda.

Giải pháp

a) La amplitud es a = 8.26 cm/2 = 4.13 cm

b) La longitud de onda es l = b = 2 x20 cm = 10.4 cm.

c) El período T es el inverso de la frecuencia, por lo tanto T = 1/18.0 Hz = 0.056 s.

d) La velocidad de la onda es v = l.f = 10.4 cm . 18 Hz = 187.2 cm /s.

Ejercicio 2

Un alambre delgado de 75 cm de largo tiene una masa de 16.5 g. Uno de sus extremos está fijo a clavo, mientras que el otro tiene un tornillo que permite ajustar la tensión en el alambre. Calcular:

a) La velocidad de esta onda.

b) Lực căng bằng Niutơn cần thiết để một sóng ngang có bước sóng 3,33 cm dao động với tốc độ 625 chu kỳ / giây.

Giải pháp

a) Sử dụng v = λ.f, hợp lệ với bất kỳ sóng cơ học nào và các giá trị số thay thế, chúng ta thu được:

v = 3,33 cm x 625 chu kỳ / giây = 2081,3 cm / s = 20,8 m / s

b) Tốc độ của sóng truyền qua sợi dây là:

Lực căng T của sợi dây có được bằng cách nâng nó lên bình phương về cả hai phía của bằng nhau và giải:

T = v ² .μ = 20,8 ² . 2,2 x 10 ^-6 N = 9,52 x 10 ^-4 N.

Âm thanh: một làn sóng dọc

Âm thanh là sóng dọc, rất dễ hình dung. Tất cả những gì bạn cần là một chiếc lò xo xoắn ốc xoắn dẻo, có thể thực hiện nhiều thí nghiệm để xác định hình dạng của sóng.

Sóng dọc bao gồm một xung luân phiên nén và mở rộng môi trường. Khu vực bị nén được gọi là "nén" và khu vực mà các cuộn lò xo ở xa nhau nhất là "giãn nở" hoặc "hiếm hoi". Cả hai vùng di chuyển dọc theo trục của slinky và tạo thành một làn sóng dọc.

Hình 5. Sóng dọc truyền dọc theo lò xo xoắn. Nguồn: tự làm.

Tương tự như một phần của lò xo bị nén và phần kia dãn ra khi năng lượng chuyển động cùng với sóng, âm thanh sẽ nén các phần của không khí xung quanh nguồn gây nhiễu. Vì lý do đó, nó không thể truyền trong chân không.

Đối với sóng dọc, các thông số được mô tả trước đây đối với sóng tuần hoàn ngang đều có giá trị như nhau: biên độ, bước sóng, chu kỳ, tần số và tốc độ của sóng.

Trong hình 5, bước sóng của sóng dọc truyền dọc theo một cuộn dây lò xo.

Trong đó, hai điểm nằm ở tâm của hai lần nén liên tiếp đã được chọn để biểu thị giá trị của bước sóng.

Các lực nén tương đương với các đỉnh và các phần mở rộng tương đương với các thung lũng trong sóng ngang, do đó sóng âm cũng có thể được biểu diễn bằng sóng sin.

Các đặc tính của âm thanh: tần số và cường độ

Âm thanh là một loại sóng cơ học có một số tính chất rất đặc biệt, phân biệt nó với các ví dụ mà chúng ta đã thấy cho đến nay. Tiếp theo chúng ta sẽ xem các thuộc tính phù hợp nhất của nó là gì.

Tần số

Tần số của âm thanh được tai người cảm nhận là âm cao (tần số cao) hoặc âm thấp (tần số thấp).

Dải tần số nghe được trong tai người là từ 20 đến 20.000 Hz. Trên 20.000 Hz là âm thanh được gọi là siêu âm và dưới tần số hạ âm, những tần số không nghe được đối với con người, nhưng chó và các động vật khác có thể cảm nhận được Và sử dụng.

Ví dụ, dơi phát ra sóng siêu âm từ mũi của chúng để xác định vị trí của chúng trong bóng tối và cũng để liên lạc.

Những con vật này có các cảm biến để chúng nhận các sóng phản xạ và bằng cách nào đó giải thích thời gian trễ giữa sóng phát ra và sóng phản xạ cũng như sự khác biệt về tần số và cường độ của chúng. Với những dữ liệu này, họ suy ra khoảng cách mà họ đã đi và bằng cách này, họ có thể biết được côn trùng đang ở đâu và bay giữa các kẽ hở của hang động mà chúng sinh sống.

Các loài động vật biển có vú như cá voi và cá heo có một hệ thống tương tự: chúng có các cơ quan chuyên biệt chứa đầy chất béo trong đầu, chúng phát ra âm thanh và các cảm biến tương ứng trong hàm của chúng phát hiện âm thanh phản xạ. Hệ thống này được gọi là định vị bằng tiếng vang.

Cường độ

Cường độ của sóng âm được định nghĩa là năng lượng được vận chuyển trên một đơn vị thời gian và trên một đơn vị diện tích. Năng lượng trên một đơn vị thời gian là công suất. Do đó cường độ của âm thanh là công suất trên một đơn vị diện tích và tính bằng oát / m ² hoặc W / m ² . Tai người cảm nhận cường độ của sóng như âm lượng: nhạc càng to thì âm lượng càng lớn.

Tai phát hiện cường độ từ 10 ^-12 đến 1 W / m ² mà không cảm thấy đau, nhưng mối quan hệ giữa cường độ và âm lượng cảm nhận không phải là tuyến tính. Để tạo ra một âm có âm lượng gấp đôi thì cần một sóng có cường độ lớn gấp 10 lần.

Mức cường độ âm thanh là cường độ tương đối được đo trên thang logarit, trong đó đơn vị là bel và thường xuyên hơn là decibel hoặc decibel.

Mức cường độ âm được ký hiệu là β và được tính bằng decibel bởi:

β = 10 log (I / I _o )

Trong đó I là cường độ của âm thanh và tôi _o là một mức tham chiếu được thực hiện như là ngưỡng nghe ở 1 x 10 ^-12 W / m ² .

Thí nghiệm thực tế cho trẻ em

Trẻ em có thể học rất nhiều về sóng cơ học trong khi vui chơi. Dưới đây là một số thí nghiệm đơn giản để xem cách sóng truyền năng lượng, có thể được khai thác.

-Thử nghiệm 1: Intercom

nguyên vật liệu

- 2 cốc nhựa có chiều cao lớn hơn đường kính bao nhiêu.

- Từ 5 đến 10 mét dây chắc chắn.

Đưa vào thực tế

Xỏ phần đế của kính để luồn sợi chỉ qua chúng và cố định bằng nút thắt ở mỗi đầu để sợi chỉ không bị bung ra.

- Mỗi người chơi lấy một chiếc ly và họ đi trên một đường thẳng, đảm bảo rằng sợi chỉ vẫn căng.

- Một trong những người chơi sử dụng kính của mình làm micrô và nói chuyện với đối tác của mình, người này tất nhiên phải đặt kính của mình vào tai để nghe. Không cần phải hét lên.

Người nghe sẽ ngay lập tức nhận thấy rằng âm thanh của giọng nói của đối tác của mình được truyền qua sợi dây căng. Nếu sợi chỉ không căng, giọng nói của bạn bạn sẽ không được nghe rõ. Bạn cũng sẽ không nghe thấy gì nếu bạn đặt sợi chỉ trực tiếp vào tai, kính là cần thiết để nghe.

Giải trình

Chúng ta đã biết từ các phần trước rằng lực căng của dây ảnh hưởng đến tốc độ của sóng. Việc truyền tải cũng phụ thuộc vào vật liệu và đường kính của các bình. Khi đối tác nói, năng lượng của giọng nói của anh ta được truyền vào không khí (sóng dọc), từ đó đến đáy kính và sau đó là một sóng ngang qua sợi chỉ.

Sợi chỉ truyền sóng xuống đáy bình của người nghe, nó rung lên. Rung động này được truyền tới không khí và được màng nhĩ cảm nhận và não bộ diễn giải.

-Thí nghiệm 2: Quan sát sóng

Đưa vào thực tế

Một lò xo xoắn mềm dẻo, có thể tạo ra nhiều loại sóng khác nhau, nằm trên bàn hoặc bề mặt phẳng.

Hình 6. Lò xo xoắn để chơi với, được gọi là một lò xo gấp khúc. Nguồn: Pixabay.

Sóng dọc

Các đầu được giữ, mỗi tay cầm một chiếc. Sau đó, một xung nhỏ nằm ngang được đặt vào một đầu và một xung được quan sát để truyền dọc theo lò xo.

Bạn cũng có thể đặt một đầu của thanh trượt cố định vào giá đỡ hoặc nhờ người đồng hành giữ, kéo căng vừa đủ. Bằng cách này, có nhiều thời gian hơn để quan sát cách các lực nén và giãn nở theo nhau truyền từ đầu này sang đầu kia của lò xo một cách nhanh chóng, như đã mô tả trong các phần trước.

Sóng ngang

Slinky cũng được giữ ở một đầu, kéo dài nó đủ. Đầu tự do được lắc nhẹ bằng cách lắc lên và xuống. Xung hình sin được quan sát để di chuyển dọc theo lò xo và ngược lại.

Người giới thiệu

1. Giancoli, D. (2006). Vật lý: Nguyên lý với các ứng dụng. Phiên bản thứ sáu. Sảnh Prentice. 308- 336.
2. Hewitt, Paul. (2012). Khoa học vật lý khái niệm. Phiên bản thứ năm. Lề. 239-244.
3. Rex, A. (2011). Cơ bản của Vật lý. Lề. 263-273.