fizika za osnovce
Oscilacije i talasi
Kretаnje koje se posle nekog vremenа ponаvljа nа isti nаčin ili približno isti nаčin, nаzivа se periodično kretanje. Posebnu vrstu periodičnog kretanja predstavlja oscilatorno kretanje. Oscilatorno kretanje je periodično kretanje koje se vrši oko ravnotežnog položaja.
Periodično, pa samim tim i oscilatorno kretanje se sastoji od niza ciklusa koji se ponavljaju i koji se zovu oscilacije. Položaj u kojem se telo nalazi u stanju ravnoteže (rezultanta svih sila koja deluju na telo je jednaka nuli) zove se ravnotežni položaj. Položaj u kojem se telo nalazi na najvećoj udaljenosti od ravnotežnog položaja zove se amplitudni položaj. Brzina tela u amplitudnom položaju je nula tj. telo se zaustavlja kada dođe u ravnotežni položaj i u njemu se menja smer brzine tela. U toku jedne oscilacije telo dva puta prođe kroz svaku od tačaka putanje, osim kroz amplitudni položaj.
Veličine kojima se opisuje oscilatorno kretanje su:
-
Amplituda Xo [m] - najveća udaljenost tela od ravnotežnog položaja
-
Elongacija X [m] - trenutna udaljenost tela od ravnotežnog položaja
-
Period oscilovanja T [s] - vreme za koje telo napravi jednu punu oscilaciju
-
Frekvencija [Hz] - broj oscilacija u jedinici vremena.
Oscilatorno kretanje se vrši pod dejstvom sile koja je usmerena ka ravnotežnom položaju tj. koja teži da vrati telo u ravnotežni položaj. Takve sile se zovu restitucione sile i u slučaju matematičkog klatna restituciona sila je gravitaciona sila (sila Zemljine teže), a u slučaju klatna sa oprugom restituciona sila je sila elastičnosti opruge.
Ako telo napravi n oscilacija za vreme t, period oscilovanja se računa po formuli:
Frekvencija je brojno jednaka recipročnoj vrednosti perioda oscilovanja:
U toku jedne oscilacije telo pređe put koji je jednak četvorostrukoj amplitudi, a pređeni put tela koje napravi n oscilacija računa se po formuli:
Kuglica obešena o neistegljivu nit zanemarljive mase koje može da osciluje u vertikalnoj ravni pod dejstvom sile Zemljine teže predstavlja matematičko klatno. Period oscilovanja matematičkog klatna se računa po formuli:
gde je l dužina klatna merena od tačke vešanja do centra kuglice i g gravitaciono ubrzanje.
U slučaju klatna sa elastičnom oprugom, period oscilovanja se računa po formuli:
gde je m masa tela koje osciluje i k konstanta elastičnosti opruge.
Pri harmonijskom oscilovanju (oscilovanju kod kojeg je amplituda uvek ista tj. kada nema otpora sredine i trenja koji bi uticali na oscilovanje) važi zakon održanja energije. Ukupna mehanička energija ostaje stalna pri oscilatornom kretanju. U toku oscilovanja dolazi do transformacije potencijalne energije u kinetičku i obrnuto. U slučaju da se trenje i otpor sredine ne mogu zanemariti, amplituda oscilovanja se smanjuje (takve oscilacije se zovu prigušene oscilacije), jer se jedan deo energije oscilovanja troši na savlađivanje sile trenja i otpora sredine.
Talasno kretanje ili talas je prenošenje oscilatornog kretanja sa jednog na drugo telo.
Prema svojoj prirodi talasi se dela na poprečne (transverzalne) i uzdužne (longitudinalne) talase. Kod poprečnih talaca čestice sredine osciluju normalno (pod pravim uglom) na pravac prostiranja talasa, a kod uzdužnih čestice osciluju u pravcu prostiranja talasa.
Poprečni (trasverzalni) talas
Uzdužni (longitudinalni) talas
Za čestice talasa koje osciluju na isti način (podjednako su udaljene od ravnotežnog položaja i imaju istu brzinu po intenzitetu i smeru) kažemo da osciluju u fazi tj. da imaju istu fazu.
Talasno kretanje se opisuje pomoću:
-
amplitude,
-
perioda,
-
frekvencije,
-
talasne dužine i
-
brzine talasa.
Amplituda Xo talasa je najveća udaljenost čestice talasa od ravnotežnog položaja.
Period T je vreme za koje čestica talasa napravi jednu punu oscilaciju
Frekvencija talasa predstavlja broj oscilacija (ili perioda) u jedinici vremena.
Talasna dužina je rastojanje između dve susedne čestice talasa koje osciluju u fazi. Talasna dužina predstavlja put koji pređe talas za jedan period.
Kroz homogenu sredinu talasi se prostiru ravnomerno pravolinijski (za isto vreme prelkaze put iste dužine), pa se brzina talasa može izraziti sledećim formulama:
Mesto na kojem nastaje talas zove se izvor talasa, a skup tačaka koje razdvajaju deo prostora u kojem postoji talasno kretanje od dela prostora u kojem takvo kretanje ne postoji zove se talasni front.
Zvuk je mehanički talas frekvencije od 20 Hz do 20 kHz koji može da se registuje čulom sluha.