ROZCHODZENIE SIĘ DŹWIĘKU
TEORIA FAL
Aby drgania ciała sprężystego mogły dotrzeć do naszych uszu, potrzebny jest ośrodek, który przenosi i rozprowadza energię wytworzoną przez to ciało. Mówiąc o przenoszeniu energii, myślimy w sposób naturalny o masie poruszającej się w wyniku pchnięcia (np. energia kinetyczna przekazywana strzale przez łuk przenoszona jest na cel strzelania). Jednakże energię można przekazać nawet bez przesuwania masy. Jako przykład weźmy długą elastyczną linę, która przechodzi przez bloczek, a na jej końcu przymocowany jest ciężarek. Wygenerujmy impuls, który obejmie całą długość liny i spowoduje od razu podniesienie ciężarka, wytwarzając pracę mniej więcej równą tej, która została wykonana dla wywołania impulsu. Nie miał tu miejsca ruch masy, gdyż lina pozostała w tym samym miejscu. Perturbacja (tj. energia), która porusza się ze stałą prędkością wzdłuż liny to właśnie rozważana fala.
Rysunek 1 ukazuje osobę, która wyciągając ręce generuje falę na przechodzącej przez krążek (narysowany w postaci małego kółka) linie, na końcu której przymocowana jest waga
 |
 |
| Rysunek 1 | Rysunek 1 dla wytłoczonym druku |
Na podstawie wspomnianych powyżej doświadczeń praktycznych można sformułować kilka wniosków:
- ośrodek posiada ściśle określony punkt równowagi, inaczej spoczynku;
- perturbacja przesuwa się wzdłuż ośrodka ze stałą prędkością zależną od typu ośrodka, nie zaś od amplitudy czy postaci fali;
- każdy punkt na linie porusza się w górę i w dół względem punktu spoczynku ze zmienną prędkością i amplitudą, która zależy od energii impulsu;
- amplituda fali zmniejsza się w miarę jej przechodzenia przez ośrodek, ale prędkość nie zmniejsza się.
Punkty na linie poruszają się prostopadle do kierunku ruchu fali i te fale nazywają się poprzecznymi. Przyjrzyjmy się dokładniej różnym położeniom, jakie przyjmuje punkt na linie, w miarę jak impuls przemieszczający się w prawo znika. Punkt będący w spoczynku dostaje przyspieszenia w górę i potem wznosi się z prędkością malejącą do zera. To samo dzieje się w fazie schodzenia, podczas której następuje początkowo przyspieszenie, a potem opóźnienie aż do osiągnięcia na powrót położenia spoczynku. Ogólnie rzecz biorąc, można stwierdzić, że ruchy te generują siły, które powodują ruchy.
Rysunek 2 pokazuje linę w trzech różnych pozycjach:
- położenia równowagi,
- zarys ruchu liny wytworzonego przez falę w danym momencie,
- ruch liny w porównaniu z poprzednim rysunkiem po upływie zaledwie 0,2 milisekundy.
 |
 |
| Rysunek 2 | Rysunek 2 dla wytłoczonym druku |
Istnieją też fale, które wykazują drgania podłużne w odniesieniu do punktu spoczynku, tj. w kierunku rozchodzenia się fal. Aby to lepiej zrozumieć, wyobraźmy sobie długą sprężynę, przymocowaną po obu końcach i ściśnijmy ją przy jednym końcu, a potem uwolnijmy kilka zwojów. Będą one wykazywały ruch w kierunku punktu spoczynku. Zanim jednak zostaną na powrót ściśnięte i wrócą do punktu spoczynku, ścisną sąsiadujące z nimi zwoje, najpierw najbliższe, a potem coraz dalsze. Będzie więc miał miejsce ciągły ruch ściskający w kierunku drugiego końca sprężyny. Jeżeli punkt na sprężynie (ale także bardziej ogólnie, w ośrodku płynnym) zostanie przesunięty z punktu równowagi, otrzymuje z otoczenia siły, które dążą do przywrócenia jego wyjściowego stanu spoczynku (drugie prawo Newtona). Jednocześnie jednak (trzecie prawo Newtona) punkt przesunięty z punktu równowagi wywiera siłę na sąsiednie punkty sprężyny (a szerzej na otaczającą materię) i kiedy ten punkt jest z powrotem przyciągany do położenia równowagi, wyprowadza z położenia równowagi również sąsiadujące z nim punkty.
Rysunek trzeci pokazuje sprężynę, której pierwsza część pozostaje w spoczynku, druga jest rozciągnięta, a trzecia ściśnięta, aż do osiągnięcia ponownie stanu spoczynku
 |
 |
| Rysunek 3 | Rysunek 3 dla wytłoczonym druku |
Fale podłużne i poprzeczne mogą się rozchodzić w ośrodku stałym, gdy tymczasem w płynnym (powietrze i woda) tylko fale podłużne, ponieważ ciała płynne wywierają na otoczenie tylko jeden rodzaj siły, ciśnienie. Dźwięk, który rozchodzi się w powietrzu i fala podłużna to występujące na przemian zagęszczenia i rozrzedzenia molekuł. Inaczej mówiąc, fale dźwiękowe to mechaniczne fale zgęszczeniowe i rozrzedzeniowe.
Zbadajmy teraz podłużne drgania powietrza wytworzone przez płytę przymocowaną brzegiem z jednej strony. Jeżeli płyta pozostaje bez ruchu, otaczające ją powietrze nie zmienia swojego stanu spoczynku. Jeżeli natomiast lekko zegniemy (na tyle lekko, aby nie spowodować stałego odkształcenia) brzeg płyty z drugiej strony, zacznie ona oscylować wokół swojego punktu spoczynku, będąc blisko spowodowania perturbacji zgęszczeniowych i sinusoidalnych rozrzedzeń, które są przekazywane do bardziej odległych obszarów powietrza. Nasze ucho jest wrażliwe na takie zmiany ciśnienia w pewnym zakresie, o czym będzie mowa nieco później.
Rysunek 4 pokazuje płytę w stanie spoczynku. Rysunek brajlowski pokazuje płytę z mocniej zaznaczonymi konturami na środku, natomiast wygięcia z lewej i prawej strony płyty przedstawione są jako cieńsze. Po prawej i lewej stronie pokazane są zakłócenia zgęszczeniowe i rozrzedzeniowe w postaci krzywych.
Rysunek 4