機械波：特性、特性、式、タイプ - 物理的 - 2025

機械的な波が伝播する物理媒体を必要とする障害です。最も近い例は音であり、気体、液体、または固体を通して伝達できます。

他のよく知られた機械的な波は、楽器の緊張した弦を弾いたときに生成されるものです。または、池に投げ込まれた石によって引き起こされる、通常は円形のさざ波。

図1.緊張した楽器の弦は横波で振動します。出典：Pixabay。

外乱は媒体を通って移動し、波のタイプに応じて、それを構成する粒子にさまざまな変位を生成します。波が通過すると、媒体内の各粒子は反復的な動きをして、平衡位置から一時的に離れます。

外乱の持続時間はそのエネルギーに依存します。波動では、エネルギーは媒体の片側から反対側に伝播するものです。これは、振動する粒子が元の場所からあまり遠くに漂うことがないためです。

波とそれが運ぶエネルギーは、長距離を移動できます。波が消えたとき、それはそのエネルギーが途中で消散してしまい、すべてが混乱の前と同じように穏やかで静かなままになっているためです。

機械波の種類

機械波は3つの主要なグループに分類されます。

-横波。

-縦波。

-表面波。

横波

せん断波では、粒子は伝播方向に垂直に移動します。たとえば、次の図の文字列のパーティクルは、波が左から右に移動する間、垂直に振動します。

図2.ストリング内の横波。波の伝播方向と個々の粒子の運動方向は垂直です。出典：Sharon Bewick

縦波

縦波では、伝播方向と粒子の移動方向は平行です。

図3.縦波。出典：Polpol

表面波

海の波では、縦波と横波が表面で結合されるため、次の図に示すように、水と空気の2つの異なる媒体の境界を伝わる表面波です。

図4.縦波と横波を組み合わせた海の波。出典：Pixabayから修正。

岸で波を砕くとき、縦成分が支配的です。したがって、海岸近くの藻類は前後に動くことが観察されます。

さまざまな種類の波の例：地震動

地震の間、縦波や横波など、地球上を移動するさまざまな種類の波が生成されます。

縦方向の地震波はP波と呼ばれ、横方向の地震波はS波と呼ばれます。

記号Pは、それらが圧力波であり、最初に到達したときに一次であるという事実によるものであり、横方向は「せん断」またはせん断のSであり、Pの後に到着するため二次でもあります。

特徴と特性

図2の黄色の波は周期的な波で、左から右に移動する同一の外乱で構成されています。aとbの両方の値が各波の領域で同じであることに注意してください。

周期波の摂動は、時間と空間の両方で繰り返され、最高点であるピークまたはピークと最低点のある谷を持つことを特徴とする正弦曲線の形を採用します。

この例は、機械波の最も重要な特性を研究するのに役立ちます。

波の振幅と波長

図2の波が振動する弦を表すと仮定すると、黒い線は基準として機能し、波列を2つの対称部分に分割します。この線は、ロープが静止している位置と一致します。

aの値は波の振幅と呼ばれ、通常は文字Aで表されます。その部分については、2つの谷間または2つの連続する山間の距離は波長lであり、図2でbと呼ばれる大きさに対応します。

期間と頻度

時間の反復現象であるため、波は周期Tを持ちます。これは、完全なサイクルを完了するのにかかる時間です。一方、周波数fは周期の逆数または逆数であり、単位時間あたりに実行されるサイクル数に対応します。 。

周波数fは、国際システムの単位として時間の逆数を^持ちます。1886年に電波を発見したハインリッヒヘルツに敬意を表して、s ^-1またはヘルツです。1Hzは、1サイクルまたは1振動あたりの周波数として解釈されます。第二。

波の速度vは、周波数を波の長さに関連付けます。

v =λ.f= l / T

角周波数

別の有用な概念は、次式で与えられる角周波数ωです。

ω=2πf

機械的な波の速度は、それらが移動する媒体によって異なります。一般的な規則として、機械波は固体を通過するときの速度が高く、大気を含む気体中では遅くなります。

一般に、多くのタイプの機械波の速度は次の式で計算されます。

たとえば、弦に沿って進む波の場合、速度は次のように与えられます。

弦の張力は弦を平衡位置に戻す傾向がありますが、質量密度はこれがすぐに発生するのを防ぎます。

数式と方程式

次の方程式は、次の演習を解くのに役立ちます。

角周波数：

ω=2πf

限目：

T = 1 / f

質量線密度：

v =λ.f

v =λ/ T

v =λ/2π

文字列を伝播する波の速度：

実施例

演習1

図2に示す正弦波は、x軸の正の方向に進み、周波数は18.0 Hzです。2a= 8.26 cmおよびb / 2 = 5.20 cmであることがわかっています。検索：

a）振幅。

b）波長。

c）期間。

d）波の速度。

解決

a）振幅はa = 8.26 cm / 2 = 4.13 cm

b）波長はl = b = 2 x20 cm = 10.4 cmです。

c）周期Tは周波数の逆数なので、T = 1 / 18.0 Hz = 0.056 sです。

d）波の速度はv = lf = 10.4 cmです。18 Hz = 187.2 cm / s。

演習2

長さ75 cmの細いワイヤーの質量は16.5 gです。一方の端は釘に固定されており、もう一方の端にはワイヤーの張力を調整できるネジが付いています。計算：

a）この波の速度。

b）波長3.33 cmの横波が毎秒625サイクルの速度で振動するために必要なニュートン単位の張力。

解決

a）v =λ.fを使用して、任意の機械波に有効であり、数値を代入すると、次のようになります。

v = 3.33 cm x 625サイクル/秒= 2081.3 cm / s = 20.8 m / s

b）文字列を伝播する波の速度は次のとおりです。

ロープの張力Tは、それを等式の両側に2乗して上げ、解くことによって得られます。

T = V ² .μ= 20.8 ²。2.2 x 10 ^-6 N = 9.52 x 10 ^-4N。

音：縦波

音は縦波で、視覚化が非常に簡単です。必要なのは、波状の形状を決定するために多くの実験を行うことができる柔軟ならせんばねです。

縦波は、媒体を交互に圧縮および拡張するパルスで構成されます。圧縮された領域は「圧縮」と呼ばれ、スプリングコイルが最も離れている領域は「拡張」または「希薄化」です。両方のゾーンがスリンキーの軸に沿って移動し、縦波を形成します。

図5.らせんばねに沿って伝播する縦波。出典：自作。

エネルギーが波と一緒に移動するにつれて、ばねの一部が圧縮され、他の部分が伸びるのと同じように、音は、外乱の発生源を囲む空気の一部を圧縮します。そのため、真空中では伝播できません。

縦波の場合、横周期波について前述したパラメータは、波の振幅、波長、周期、周波数、速度など、同様に有効です。

図5に、コイルスプリングに沿って進む縦波の波長を示します。

その中で、2つの連続する圧迫の中心にある2つのポイントが選択され、波長の値を示しています。

圧縮はピークに相当し、拡張は横波の谷に相当するため、音波も正弦波で表すことができます。

音の特徴：周波数と強さ

音は、これまでに見た例とは異なる、いくつかの非常に特殊な特性を持つ機械波の一種です。次に、最も関連するプロパティを確認します。

周波数

音の周波数は、人間の耳には高音（高周波数）または低音（低周波数）の音として知覚されます。

人間の耳の可聴周波数範囲は20〜20,000 Hzです。20,000Hz以上は超音波と呼ばれる音で、超低周波以下は人間には聞こえない周波数ですが、犬や他の動物には知覚できますそして使用。

たとえば、コウモリは鼻から超音波を放射して、暗闇の中での位置を特定し、コミュニケーションも行います。

これらの動物には反射波を受信するセンサーがあり、放射波と反射波の間の遅延時間と、周波数と強度の違いを何らかの方法で解釈します。これらのデータを使用して、彼らは彼らが移動した距離を推測し、こうして彼らは昆虫がどこにいるかを知ることができ、彼らが生息する洞窟の裂け目の間を飛ぶことができます。

クジラやイルカなどの海洋哺乳類も同様のシステムを持っています。頭に脂肪が充満した特殊な器官があり、そこから音を発します。また、顎に反射音を検出する対応するセンサーがあります。このシステムはエコーロケーションと呼ばれます。

強度

音波の強さは、単位時間あたりおよび単位面積あたり輸送されるエネルギーとして定義されます。単位時間あたりのエネルギーは力です。したがって、音の強さは単位面積あたりのパワーであり、ワット/ m ²またはW / m ²で表されます。人間の耳は波の強さを音量として知覚します。音楽が大きいほど、音楽は大きくなります。

耳は痛みを感じることなく10 ^-12〜1 W / m ^2の強度を検出しますが、強度と知覚されるボリュームの関係は線形ではありません。音量が2倍のサウンドを生成するには、強度が10倍の波が必要です。

音の強さのレベルは、対数スケールで測定される相対的な強さであり、単位はベルであり、より頻繁にはデシベルまたはデシベルです。

音響強度レベルはβで表され、デシベルで次のように示されます。

β= 10 log（I / I _o）

ここで、Iは音の強さであり、I _oは1 x 10 ^-12 W / m ²での聴覚のしきい値と見なされる基準レベルです。

子供のための実用的な実験

子供たちは楽しみながらメカニカルウェーブについてたくさん学ぶことができます。ここでは、波がどのようにエネルギーを伝達するかを確認するためのいくつかの簡単な実験を示します。

-実験1：インターホン

材料

-高さが直径よりはるかに大きい2つのプラスチックカップ。

-5〜10メートルの強力なワイヤー。

実践する

メガネの底に穴を開け、糸を通し、両端が結び目で固定され、糸が外れないようにします。

-各プレーヤーはグラスを1枚持ち、まっすぐに歩きます。これにより、糸が緊張したままになります。

-プレーヤーの1人が彼のグラスをマイクとして使用してパートナーに話しかけます。パートナーはもちろん、聞くためにグラスを耳に当てる必要があります。叫ぶ必要はありません。

リスナーは、パートナーの声の音が緊張した糸を通して伝わることにすぐに気づきます。スレッドが張っていないと、友達の声がはっきり聞こえません。糸を耳に直接入れても何も聞こえません。耳を傾けるにはグラスが必要です。

説明

前のセクションから、弦の張力が波の速度に影響を与えることがわかります。透過率は、血管の材質と直径にも依存します。パートナーが話すと、彼の声のエネルギーが空気（縦波）に伝達され、そこからグラスの底部に、そして横波として糸に伝わります。

スレッドは波をリスナーの容器の底に伝え、振動します。この振動は空気に伝達され、鼓膜で知覚され、脳で解釈されます。

-実験2：波の観察

実践する

さまざまなタイプの波を形成できる柔軟なつる巻バネは、テーブルまたは平面上にあります。

図6. slinkyと呼ばれる、遊ぶヘリカルスプリング。出典：Pixabay。

縦波

両端は、それぞれの手に1つずつ保持されます。次に、小さな水平インパルスが一方の端に適用され、パルスがばねに沿って伝播するのが観察されます。

また、スリンキーの一端をサポートに固定するか、パートナーに十分に伸ばして保持するよう依頼することもできます。これにより、前のセクションで説明したように、圧縮と伸張がばねの一方の端からもう一方の端に急速に進行するのを観察するための時間が長くなります。

横波

スリンキーの一端もしっかりと伸ばしています。自由端は上下に振ることでわずかに振られます。正弦波パルスは、ばねに沿って移動し、戻ることが観察されています。

参考文献

1. ジャンコリ、D（2006）。物理学：アプリケーションの原則。第6版。プレンティスホール。308-336。
2. ヒューイット、ポール。（2012）。概念物理学。第5版。ピアソン。239-244。
3. レックス、A（2011）。物理学の基礎。ピアソン。263-273。