Garso užlinkimas už kliūties. Doplerio efektas

Naujos sąvokos:

gar̃so bangõs il̃gis
gar̃so bangõs užlinkimas
Dòplerio efèktas

Iš praktikos žinote, kad būdami už namo kampo galite girdėti gatvėje važiuojančių automobilių triukšmą, pro atviras duris galite girdėti kitame kambaryje kalbančius žmones. Girdite, kaip keičiasi greitosios pagalbos automobilio sirenos, traukinio garsas, kai jie artėja prie jūsų ir kai nuo jūsų tolsta. Kokia šių garso reiškinių fizika? Tai labai paprasta, jei žinome, kas yra garso bangos ilgis.

Daugiau

Garso bangos ilgis

Bangos vandens paviršiuje yra matomos. Atstumas tarp dviejų vandens bangų keterų prilygsta bangos ilgiui. Garso bangos nematomos, todėl jų ilgį suvokti yra sudėtingiau. Garso bangos ilgis yra trumpiausias atstumas tarp dviejų oro dalelių sutankėjimų arba slėgio padidėjimo sričių (1.5.1 pav.). Bangos ilgis žymimas simboliu λ (skaitomas „lambda“). Pagrindinis bangos ilgio matavimo vienetas yra metras (m).

1.5.1 pav.

Garso bangos ilgis yra atvirkščiai proporcingai susijęs su garso dažniu:

\text{Bangos ilgis = }\frac{\text{Bangos greitis}}{\text{Bangos dažnis}}\text{.}

Užrašykime šią priklausomybę sutartiniais ženklais – fizikiniais simboliais:

\lambda=\frac{v}{f}.

Kuo garso dažnis (f) didesnis, tuo bangos ilgis λ trumpesnis (1.5.2 pav.). Musės sparnų svyravimų dažnis yra mažesnis, todėl jos skleidžiamų garso bangų ilgis yra didesnis. Uodo sparnų svyravimų dažnis yra didesnis, jo skleidžiamos garso bangos ilgis yra trumpesnis (1.5.2 pav.). Žmogaus girdimo garso bangos ilgis gali būti nuo 17 milimetrų iki 17 metrų.

1.5.2 pav.

Daugiau

Garso bangos užlinkimas už kliūties

Atlikime mintinį eksperimentą. Tarkime, kad jūs nusipirkote bilietą į koncertą nepasidomėję kėdžių išdėstymo tvarka salėje. Prieš jūsų sėdėjimo vietą yra salės kolona. Jūs puikiausiai girdėsite garsą, nes jis gali užlinkti už kliūties (1.5.3 pav., a). Dėl garso bangų užlinkimo galima girdėti scenoje dainuojantį atlikėją pro atviras salės duris (1.5.3 pav., b).

1.5.3. pav., a

1.5.3 pav., b

Bangų nukrypimas nuo tiesaus kelio ir kliūčių aplenkimas vadinamas bangų̃ difrãkcija. Vandens bangos taip pat gali užlinkti už kliūties. Pavyzdžiui, stovint jūros pakrantėje, vandens bangelės apeina jūsų kojas ir nuskuba tolyn link kranto.

Garso bangos užlinkimas už kliūties priklauso nuo kliūties matmenų. Kai kliūties matmenys artimi bangos ilgiui, garso banga gerai užlinksta už jos (1.5.4 pav.). Jei trukdančio objekto matmenys yra mažesni už garso bangos ilgį, garso banga sklinda taip, lyg kliūties jos kelyje nebūtų. Jei kliūties matmenys yra didesni už garso bangos ilgį, garso banga kliūties apeiti negali. Ji yra sugeriama.

1.5.4 pav.

Daugiau

Doplerio efektas

Mus supančiame garsų pasaulyje pastebimas dar vienas įdomus reiškinys. Atidžiai įsiklausę į pravažiuojančių transporto priemonių garsą, galime įsitikinti, kad artėjantys automobiliai skleidžia aukštesnio tono garsą, tolstantys – žemesnio. Dar aiškiau šį efektą galime pastebėti įsiklausydami į specialiosios paskirties transporto priemonių (greitosios pagalbos, gaisrinių automobilių) sirenas, artėjančių ir tolstančių traukinių garsą. Šį garso reiškinį 1842 m. paaiškino austrų fizikas Kristianas Andrėjas Dopleris (Christian Andreas Doppler, 1803–1853). Artėjančių ir tolstančių garso šaltinių skleidžiamo garso tono pasikeitimas buvo pavadintas Dòplerio efektù.

Tarkime, kad gaisrinis automobilis (garso šaltinis) ir vaikai nejuda vienas kito atžvilgiu (1.5.5 pav., a). Tuomet abu vaikai girdės tokio paties tono garsą, kokį skleidžia gaisrinis automobilis. Kai gaisrinis automobilis pradės artėti prie mergaitės (1.5.5 pav., b), garso bangos ilgis jos atžvilgiu sutrumpės (banga tarsi suspaudžiama), o dažnis padidės. Mergaitė girdės aukštojo tono gaisrinio automobilio sireną. Tuo metu gaisrinis automobilis tolsta nuo berniuko (1.5.5 pav., b), jo atžvilgiu garso bangos ilgis padidėja (garso banga tarsi ištempiama), o dažnis sumažėja. Dėl šios priežasties berniukas girdės žemesnio tono automobilio sirenos garsą.

1.5.5 pav., a

1.5.5 pav., b

Garso bangos dažnio ir ilgio kitimas, kai klausytojas ir garso šaltinis juda vienas kito atžvilgiu, vadinamas Dòplerio efektù.

Doplerio efektas būdingas visoms bangų rūšims (mechaninėms, elektromagnetinėms), egzistuojančioms gamtoje. Doplerio efektas yra pritaikomas praktiškai. Juo pagrįstas automobilių greičio matuoklių veikimas. Doplerio efektas taikomas medicinoje (matuojamas kraujogreitis kraujagyslėse), jis taikomas ir astronomijoje. Daugiau apie Doplerio efektą sužinosite, kai mokysitės reliatyvumo fizikos vyresnėse klasėse.

Doplerio efektas? Tai labai paprasta! Norėdami suprasti Doplerio efekto esmę, atlikime mintinį eksperimentą. Tarkime, kad jūs turite teniso kamuoliukų (1.5.6 pav.). Tam tikru atstumu nuo jūsų ant nejudančios riedlentės stovi jūsų draugė. Jūs kas sekundę metate jai vieną kamuoliuką, o ji kas sekundę jį pagauna. Tarkime, kad jūsų draugė riedlente pradės važiuoti pastoviu greičiu link jūsų. Tuomet atstumas tarp jūsų mažės ir per vieną sekundę jūsų draugė turės pagauti daugiau kamuoliukų. Didės kamuoliukų sugavimo dažnis. Jei draugė pradėtų tolti nuo jūsų, per sekundę turėtų sugauti mažiau kamuoliukų, tad kamuoliukų sugavimo dažnis mažėtų. Tas pats reiškinys vyksta ir su garso bangomis. Kai garso šaltinis artėja prie klausytojo – garso dažnis didėja, o kai tolsta – mažėja.

1.5.6 pav.

Daugiau

Klausimai ir užduotys

Ką vadinime garso bangos ilgiu? Kaip jis susijęs su bangos dažniu?
Garso bangos dažnis – 440 Hz, o greitis – 342 m/s. Apskaičiuokite garso bangos ilgį.
Vaikai svarstė, kaip garso bangos užlinksta už kliūties. Lina teigė, kad garso bangos užlinkimas už kliūties nepriklauso nuo bangos ilgio ir kliūties matmenų. Benas tvirtino priešingai. Kuris vaikas teisus?
Pateikite garso užlinkimo už kliūties pavyzdžių.
1.5.7 paveiksle pavaizduotas skrendantis lėktuvas ir garso banga. Kuris vaikas girdės aukštesnio tono lėktuvo garsą? Kodėl?

1.5.7 pav.

Pasidomėkite, kaip Doplerio efektas pritaikomas automobilių greičio matuokliuose. Paaiškinkite matuoklio veikimo principą.
Paieškokite informacijos apie Doplerio efekto taikymą robotikoje. Pasidalykite šia informacija su klasės draugais.

Daugiau