Fizyka na start - ebook

WPROWADZENIE

Pisząc tę książkę, myślałam o frajdzie, jaką sprawia mi uczenie fizyki. Chciałam, aby dzieci i nauczyciele dostali instrukcje eksperymentów naukowych, które są jasne i łatwe do samodzielnego powtórzenia, a także proste wyjaśnienia tego, co się wydarzyło. Priorytetem było dla mnie przy tym bezpieczeństwo podczas nauki i powtarzania działań opisanych w książce. Mam wielką nadzieję, że ta książka o fizyce rozpali ciekawość odkryć naukowych u czytelników w każdym wieku. Dla mnie najważniejsze jest to, że chcę podzielić się swoją pasją do fizyki oraz tym, jak ekscytująca i istotna jest nauka w codziennym życiu.

Nie trzeba mieć dyplomu z nauk ścisłych, aby zrozumieć, dlaczego magnesy przyczepiają się do drzwi lodówki, a nie do drewnianych drzwi. Zastanawiasz się, jak działa spadochron? Dlaczego szkło powiększające sprawia, że przedmioty wydają się większe? Te i inne pytania na temat otaczającego nas świata zadają dzieci w każdym wieku. Badania naukowe pomagają rozwijać wzorce i myślenie na wyższym poziomie, aby rozwiązywać prawdziwe, codzienne problemy.

Omówienie poszczególnych zagadnień rozpoczyna się od przedstawienia podstaw fizyki, które mogą być fundamentem kolejnych przedstawianych praw naukowych. Po krótkim wprowadzeniu teoretycznym następuje część praktyczna – ćwiczenia w ramach danego tematu są zróżnicowane pod względem treści.

Niektóre słowa i zwroty w ćwiczeniach są pogrubione, a ich znaczenie jest podane w słowniczku na końcu książki. Zaleca się przerabianie zadań po kolei, jednak każde ćwiczenie ma wartość edukacyjną samo w sobie. Można wybrać dowolne ćwiczenie i je wykonać, wykorzystując wiadomości ze słowniczka oraz wstępu teoretycznego do danego tematu. Oczywiście dobry wynik zależy od przestrzegania kolejności kroków procedury. Zastępowanie wskazanych materiałów pomocniczych innymi może wpłynąć na wyniki niektórych działań, ale nauka ma być zabawą, więc w takich sytuacjach trzeba rozstrzygnąć samodzielnie, jaki wpływ mogło mieć użycie innych materiałów pomocniczych.

Ta książka została napisana tak, aby dać czytelnikowi możliwość poznania wielu zagadnień fizyki:

Energia. Zapoznanie z pojęciami magazynowania energii, energii poruszających się obiektów i ich wzajemnym przekazywaniu, a także badanie różnych postaci energii, w tym mechanicznej, elektrycznej, fal dźwiękowych i światła. Energia to zdolność do wykonywania pracy – co oznacza zmianę, odkształcenie lub przemieszczanie obiektu – a także do wytwarzania ciepła.

Siła i ruch. Zapoznanie ze skutkami działania sił na obiekt oraz siłą grawitacji i jej wpływem na spadające przedmioty. Zapoznanie się z trzema prawami dynamiki Isaaca Newtona i ich zastosowaniem w codziennym życiu.

Maszyny proste. Przedstawienie maszyn prostych, które są urządzeniami mechanicznymi zmieniającymi kierunek i/lub wielkość siły, takich jak dźwignie, równie pochyłe, kliny, koła i osie, koła pasowe i śruby.

Magnesy. Poznanie magnesów i ich działania, w tym niewidzialnego pola wokół magnesów, odpowiedzialnego za najbardziej niezwykłą właściwość magnesu, czyli siłę, która przyciąga lub odpycha inne materiały magnetyczne, takie jak żelazo.

Działania

Książka ma za zadanie przeprowadzić uczniów przez etapy niezbędne do pomyślnego wykonania eksperymentu naukowego oraz przedstawić metody rozwiązywania problemów i dokonywania odkryć.

Wprowadzenie: Informacje ogólne na temat badania i opisanie związków przyczynowo-skutkowych eksperymentu.

Przekonaj się sam: Lista typowych, ale niezbędnych materiałów oraz instrukcje krok po kroku, jak wykonać doświadczenie.

Co się wydarzyło? Podanie przewidywanego wyniku wraz z omówieniem tego, co powinno było się wydarzyć podczas ćwiczenia. Naukowe wyjaśnienie tego, co zaobserwowano, przy użyciu zrozumiałego języka i fachowego słownictwa naukowego, tak aby czytelnicy w każdym wieku mogli przyswoić przekazywaną wiedzę i omówić swoje odkrycia.

Instrukcje ogólne

1. Najpierw przeczytaj. Przed rozpoczęciem każdego eksperymentu przeczytaj cały jego opis.

2. Zbierz potrzebne materiały. Będziesz mniej się frustrować i lepiej bawić, jeśli wszystkie materiały potrzebne do przeprowadzenia doświadczenia będą przygotowane i łatwo dostępne.

3. Eksperymentuj. Wykonuj każdy krok bardzo dokładnie, żadnego nie pomijaj i nie dodawaj własnych. Bezpieczeństwo jest najważniejsze. Czytając instrukcję przed rozpoczęciem eksperymentu, zwróć uwagę na wszelkie ostrzeżenia dotyczące bezpieczeństwa. Następnie postępuj dokładnie według instrukcji, aby mieć pewność, że uzyskany wynik będzie zgodny z oczekiwaniami.

4. Obserwuj. Jeśli wyniki nie są takie, jak opisano w eksperymencie, uważnie przeczytaj ponownie instrukcję i zacznij od początku. Sprawdź, czy materiały są zgodne z opisem i w dobrym stanie. Na podstawie ilustracji sprawdź, czy ćwiczenie zostało prawidłowo wykonane. Weź pod uwagę czynniki, które mogą mieć wpływ na wyniki, takie jak temperatura otoczenia, wilgotność, oświetlenie itp.

Pomiary

Opisane w tej książce wielkości podano w jednostkach metrycznych. Jeśli nie zaznaczono inaczej, wymienione wielkości nie mają decydującego znaczenia, a różnice między nimi i wynikami pomiarów nie wpłyną na efekt końcowy danego eksperymentu.WSTĘP

Wyobraź sobie małe dziecko, które z radością zrzuca butelkę z blatu krzesełka do karmienia. Rodzic odstawia butelkę na właściwe miejsce tylko po to, by dziecko znów ją zrzuciło. I za każdym razem butelka spada na podłogę. To dziecko i Isaac Newton mają coś wspólnego – oboje uważają, że fizyka jest zachwycająca! Autorka – Janice VanCleave – wie, że ten maluch poznaje prawa fizyki! Niniejsza książka jest napisana dla każdego dziecka, które chce coś upuszczać czy przewracać, a przede wszystkim chce poznawać świat fizyczny.

A kto nie zastanawiał się, jak coś tak dużego jak samolot może utrzymać się na niebie. Janice nie chce, by to poczucie zdumienia kiedykolwiek się skończyło. Jej książka została napisana z myślą o osobach w każdym wieku ciekawych otaczającego nas świata. Będzie cenną pomocą dla rodziców uczących swoje dzieci w domu lub nauczycieli, którzy chcą wprowadzić łatwe do wykonania eksperymenty, dzięki którym dzieci będą pytać: Czy już czas na naukę?

Każde ćwiczenie rozpoczyna się od naukowego wyjaśnienia danego zjawiska. Wszyscy bawiliśmy się magnesami. Ale czy wiedzieliście, że za pomocą kompasu można utworzyć mapę niewidzialnego pola magnetycznego? Sprawdzenie doświadczalne tego faktu jest tak kuszące, że wkrótce z zapałem zgromadzisz kilka zwykłych materiałów domowych potrzebnych do doświadczenia! Po każdym ćwiczeniu, często zwodniczo prostym, następuje wyjaśnienie, prostym, potocznym językiem tłumaczy złożone zasady. To po prostu zdumiewające, gdy eksperymentujesz z czymś, co widziałeś już milion razy, ale po raz pierwszy naprawdę rozumiesz, co tak naprawdę się dzieje.

Janice VanCleave jest nauczycielką z powołania. Jej prawdziwą pasją jest przekazywanie wiedzy w taki sposób, aby każdy mógł ją zrozumieć. Ta książka to skarb. Uchyla rąbka tajemnicy praw fizycznych, które widzimy w każdej chwili każdego dnia.

Nie mogę oprzeć się wrażeniu, że pewnego dnia dziecko, które upuściło butelkę z blatu krzesełka do karmienia, otworzy tę książkę. Wówczas poznawanie świata od strony naukowej stanie się prawdziwą przygodą. Fizyka będzie zachwycająca! Być może to dziecko wyrośnie na pierwszą osobę, która będzie stąpać po Marsie. Wszystko jest możliwe.

Mary BowenI
WPROWADZENIE DO ENERGII

Energia to zdolność do wykonywania pracy. W fizyce praca jest wykonywana, gdy do obiektu jest przyłożona siła powodująca jego ruch. Siła jest miarą oddziaływania mechanicznego: popychania lub ciągnięcia obiektu. Siłę mierzy się niutonach (N). Praca jest wykonywana tylko wtedy, gdy siła powoduje, że coś się porusza. Jeśli naciskasz na drzewo, a ono się nie porusza, nie wykonałeś żadnej pracy, mimo że wysiłek mógł cię wyczerpać. Popatrz, jak oblicza się pracę w tym ważnym równaniu: W = F × d, gdzie W to wykonana praca, F to określona siła, a d to przesunięcie. Dla porównania, gdy równanie ma postać W = Fwyp × d, wykonywana praca uwzględnia wszystkie siły działające na przemieszczany obiekt (Fwyp), w tym siły tarcia. Ciężar jest miarą siły grawitacji ziemskiej, która przyciąga obiekt w kierunku środka Ziemi. Grawitacja to siła przyciągania między dwoma obiektami mającymi masę. Rzeczywiście twoje ciało oddziałuje na inne obiekty siłą przyciągania, ale jest to tak niewielka siła, że jest w zasadzie pomijalna. Natomiast masa Ziemi jest wystarczająco duża, aby wytworzyć siłę, która ściąga w dół przedmioty znajdujące się na powierzchni Ziemi lub w jej pobliżu. W dół oznacza w kierunku środka Ziemi. Zatem gdy coś upuszczamy, spada to prostopadle do powierzchni Ziemi. Siły nie zawsze powodują ruch liniowy, czyli ruch po linii prostej. Moment obrotowy to siła skręcająca, która powoduje ruch wokół punktu centralnego, np. obracanie pokrywki lub kręcenie się karuzeli.

Ruch to zmiana fizycznego położenia obiektu. Ruch liniowy mierzy się np. w metrach (m) lub w centymetrach (cm). Nie wszystkie ruchy są liniowe lub obrotowe, gdyż niektóre obiekty wibrują, czyli poruszają się tam i z powrotem. Częstotliwość jest miarą tego, ile razy coś dzieje się w określonym czasie. Częstotliwość można mierzyć w hercach (Hz), gdzie 1 Hz = 1 cykl na sekundę lub jedno drganie tam i z powrotem.

Energia potencjalna to energia ciała w zależności od jego położenia względem położenia zerowego. Jest to energia, która ma potencjał do wykonania „pracy”. W tej książce są omówione dwa rodzaje energii potencjalnej: energia potencjalna grawitacji i energia potencjalna sprężystości.

Energia potencjalna grawitacji to zmagazynowana energia, którą ma ciało ze względu na swoje położenie nad określonym punktem zerowym. Ten rodzaj energii potencjalnej wynika z siły grawitacji działającej na ciało. Aby uzyskać tę energię, należy wykonać pracę polegającą na podniesieniu obiektu na wyższy poziom (powyżej poziomu zerowego), np. umieścić książkę na półce, a podłogę uznać za poziom zerowy. Energia potencjalna grawitacji jest bezpośrednio związana z masą obiektu oraz jego wysokością nad ziemią. Gdy upuścimy książkę z określonej wysokości, jej grawitacyjna energia potencjalna zamieni się podczas spadania w energię kinetyczną.

Energia potencjalna sprężystości to energia zgromadzona w ciele, które można rozciągać lub ściskać. Do ściśnięcia lub rozciągnięcia obiektu elastycznego potrzebna jest siła. Na przykład trampolina ma największą energię potencjalną, gdy jest najbardziej rozciągnięta, podobnie jak gumka. Sprężyna gromadzi energię potencjalną sprężystości, gdy siła ją ściska, a także gdy siła ją rozciąga. Gdy sprężyna jest zwalniana, w obu przypadkach jej sprężysta energia potencjalna powoduje, że zwoje wracają do swojego normalnego położenia. W ten sposób energia potencjalna sprężystości zostaje zamieniona na energię kinetyczną.

Energia kinetyczna (EK) to energia obiektów, które się poruszają. Pamiętaj, że energia kinetyczna nie powoduje, że obiekt się porusza, ale obiekt ma energię kinetyczną, ponieważ się porusza. Piłka znajdująca się na szczycie równi pochyłej ma energię potencjalną grawitacji. Gdy zacznie się toczyć w dół, jej energia potencjalna grawitacji zamieni się w energię kinetyczną. Istnieją trzy rodzaje energii kinetycznej: wibracyjna, rotacyjna i translacyjna. Energia wibracyjna jest energią wywołaną ruchem tam i z powrotem, energia rotacyjna jest wynikiem obracania się wokół osi, a energia translacyjna jest wynikiem ruchu liniowego z jednego miejsca do drugiego.

Energia mechaniczna jest sumą energii potencjalnej i energii kinetycznej obiektu. Obiekty mają energię mechaniczną, jeśli się poruszają lub mają energię potencjalną spoczynkową. Pamiętaj, że obiekt nie musi być maszyną, aby mieć energię mechaniczną. Na przykład zarówno rzeki, jak i wiatr mają energię mechaniczną.

Poza energią mechaniczną będziemy badać inne rodzaje energii: energię fal dźwiękowych, energię elektryczną i energię świetlną.

Dźwięk to wrażenie słuchowe powstające w wyniku pobudzenia narządów słuchu przez fale dźwiękowe. Energia fal dźwiękowych jest rodzajem energii wytwarzanej przez wibrujące obiekty, np. podczas szarpania struny gitary. Ruch struny porusza powietrze wokół, wytwarzając wzorzec zaburzeń nazywanych falami dźwiękowymi. Fale dźwiękowe są przenoszone przez ośrodki, takie jak ciała stałe, ciecze i gazy, i mogą być słyszane przez ludzi i zwierzęta.

Energia elektryczna jest rodzajem energii, którą często uznajemy za oczywistą, dopóki nie jest niedostępna. Wszystkie urządzenia elektryczne, w tym komputery i telewizory, nie działają, jeśli podczas burzy zostanie przerwana linia energetyczna doprowadzająca energię elektryczną do domu. W zadaniach zawartych w tej książce dowiesz się więcej o prądzie elektrycznym, a także o tym, jak wykonywać sztuczki magiczne z użyciem elektryczności statycznej. Dowiesz się również, w jaki sposób energia chemiczna zgromadzona w bateriach wytwarza prąd elektryczny niezbędny do działania telefonów komórkowych i tabletów. W zadaniach związanych z energią elektryczną zostaną przeanalizowane również inne pojęcia związane z elektrycznością, takie jak elektrony swobodne, przewodniki, izolatory, polaryzacja oraz obwody zamknięte i otwarte.

Energia świetlna to promieniowanie. Promieniowanie jest rodzajem energii falowej, która nie potrzebuje nośnika, żeby się przemieszczać, np. promieniowanie słoneczne docierające do Ziemi przez przestrzeń kosmiczną. Termin promieniowanie może brzmieć groźnie, ale czy wiesz, że zwykłe światło widzialne i fale cieplne, zwane światłem podczerwonym, to wszystko formy promieniowania? Nie wyobrażamy sobie domu bez użytecznej kuchenki mikrofalowej. Istnieje siedem rodzajów promieniowania: promieniowanie gamma, promieniowanie rentgenowskie, światło ultrafioletowe, światło widzialne, światło podczerwone, mikrofale i fale radiowe.1
Zachowanie energii

Prawo zachowania energii mówi, że energia nie jest ani tworzona, ani niszczona. Energia może być natomiast przekształcona w inną formę energii. W tym ćwiczeniu zbadamy energię mechaniczną wahadła. Energia mechaniczna jest sumą energii potencjalnej (energii zmagazynowanej) i kinetycznej (energii poruszających się obiektów) danego obiektu. Wahadło to ciężarek zawieszony w stałym punkcie, tak aby mógł swobodnie poruszać się do przodu i do tyłu. Każde wychylenie ciężarka z jednej strony na drugą tworzy łuk, jak pokazano na rysunku 1. Nad wahadłem jest wykonywana praca, gdy jest ono podnoszone do położenia A. Oznacza to, że wahadłu jest przekazywana energia. Po podniesieniu wahadło zyskuje energię potencjalną grawitacji, która jest energią zmagazynowaną wynikającą z wysokości obiektu. Po puszczeniu wahadła grawitacja ściąga go w dół, a jego energia potencjalna grawitacji zostaje przekształcona w energię kinetyczną.

Grawitacja to siła przyciągania między dowolnymi dwoma posiadającymi masę obiektami we Wszechświecie. Im większa masa obiektu, tym większa jest jego siła grawitacji. Ziemia jest bardzo masywna, dlatego przyciąga obiekty znajdujące się w pobliżu lub na jej powierzchni w kierunku swojego środka. W położeniu A wahadło ma maksymalną energię potencjalną grawitacji, która zmienia się w energię kinetyczną, gdy wahadło przechodzi do położenia B. Od położenia B do C wahadło porusza się przeciwnie do skierowanej w dół siły grawitacji, a więc zwalnia. Podczas tej części ruchu w górę energia kinetyczna wahadła zamienia się ponownie w energię potencjalną grawitacji.

RYS. 1

Zmiana energii mechanicznej wahadła polega na przemianie energii kinetycznej w energię potencjalną, a następnie w energię kinetyczną i tak dalej. Należy zauważyć, że ilość energii potencjalnej w położeniu C jest mniejsza niż w chwili, gdy wahadło zostało po raz pierwszy uniesione do położenia A (rys. 1). Oznacza to, że wahadło traci energię mechaniczną przy każdym wychyleniu, a każde odchylenie od położenia B jest coraz mniejsze, aż w końcu wahadło zatrzymuje się. Utracona energia zostaje zamieniona w inną formę energii, taką jak ciepło lub dźwięk (drgania powietrza).

Przekonaj się sam

Co jest potrzebne

• sznurek o długości 20 cm

• taśma klejąca

• metalowa podkładka lub inny przedmiot o podobnym ciężarze

Co należy zrobić

1. Przywiąż jeden koniec sznurka do podkładki.

2. Przymocuj taśmą klejącą wolny koniec sznurka do krawędzi stołu (rys. 2).

RYS. 2

3. Odciągnij wahadło na niewielką odległość w bok i puść. Wahadło powinno wychylać się raz w jedną, raz w drugą stronę. Obserwuj jego ruch. Zanotuj wysokość wahadła podczas każdego wahnięcia.

Co się wydarzyło?

Na rysunku 1 wahadło jest najpierw zatrzymane w położeniu A, które jest wyższe od położenia B. Oznacza to, że wykonano pracę nad wahadłem poprzez jego uniesienie, co dało mu energię potencjalną grawitacji. Gdy wahadło zostanie puszczone, siła grawitacji działa na wahadło, ciągnąc je w dół. Podczas ruchu wahadło ma energię kinetyczną. W połowie drogi między punktami A i B energia mechaniczna zostaje podzielona między energię potencjalną i energię kinetyczną. W położeniu B energia potencjalna wahadła wynosi zero, a energia kinetyczna osiąga maksimum. Energia kinetyczna maleje w miarę jak wahadło przesuwa się w kierunku położenia C. W połowie drogi między położeniami B i C energia mechaniczna jest ponownie podzielona między energię potencjalną i kinetyczną. Wreszcie wahadło unosi się nieco poniżej położenia C. W tym położeniu jego energia potencjalna jest mniejsza niż na początku ruchu wahadłowego. Zmniejszenie energii mechanicznej następuje stopniowo, aż wahadło przestanie się poruszać i zawiśnie pionowo w położeniu B.2
Częstotliwość

Częstotliwość to liczba powtórzeń danego zdarzenia w określonym czasie, np. ruchu wahadła w przód i w tył. Wahadło to ciężarek zawieszony w stałym punkcie, który może swobodnie poruszać się w przód i w tył. Przykładem wahadła jest sznurek z przymocowaną na końcu metalową podkładką. Każde wychylenie ciężarka w przód i w tył liczy się jako jeden cykl.

Częstotliwość wahadła określa się, licząc liczbę cykli, czyli ruchów w przód i w tył, jakie wykonuje ciężarek wahadła w odstępie jednej sekundy. O częstotliwości wahadła decyduje długość linki lub sznurka przymocowanego do ciężarka. Im dłuższy jest sznurek, tym mniejsza częstotliwość wahadła.

Przekonaj się sam

Co jest potrzebne

• sznurek 45 cm

• metalowa podkładka z otworem lub inny przedmiot o podobnym ciężarze

• taśma klejąca

Co należy zrobić

1. Przywiąż jeden koniec sznurka do podkładki.

2. Przymocuj taśmą klejącą koniec sznurka do krawędzi stołu, ale pozostaw jego część wiszącą luźno. Ten koniec sznurka zostanie pociągnięty, aby skrócić sznurek.

3. Odciągnij podkładkę w jedną stronę i puść ją. Podkładka powinna się swobodnie kołysać, nie dotykając niczego.

RYS. 1

4. Gdy podkładka będzie się kołysać, powoli ciągnij za koniec sznurka, aby go skrócić. W miarę skracania sznurka obserwuj zmianę częstotliwości ruchu wahadła.

Co się wydarzyło?

W miarę skracania długości sznurka odległość, na jaką porusza się ciężarek, jest coraz krótsza. W związku z tym ruch wahadłowy w przód i w tył trwa krócej. Oznacza to, że w tym samym przedziale czasu krótsze wahadło wychyli się więcej razy w przód i w tył niż dłuższe. Istnieje więc pewna zależność. Częstotliwość ruchu krótszego wahadła jest większa od częstotliwości ruchu dłuższego wahadła.3
Wahadła sprzężone

Wahadła sprzężone mogą być tworzone przez dwa wahadła zawieszone na wspólnej podporze. W takim układzie energia z jednego wahadła może być przenoszona przez przekaźnik łączący oba wahadła. W rezultacie jedno wahadło przekazuje energię drugiemu, które zaczyna się kołysać. Gdy energia jest przekazywana tam i z powrotem, jedno wahadło zatrzymuje się, a drugie się kołysze, odwracając proces przekazywania energii. Dzięki uważnej obserwacji można przewidzieć, kiedy jedno wahadło się zatrzyma, a drugie zacznie ruch. Wygląda to trochę magicznie, ale tak nie jest. Chodzi o przekazywanie energii mechanicznej.

RYS. 1

Przekonaj się sam

Co jest potrzebne

• sznurek 2 × 20 cm

• taśma klejąca

• linijka

• nożyczki

• słomka

• 2 metalowe podkładki z otworami lub inne przedmioty o podobnym ciężarze

Co należy zrobić

1. Przywiąż koniec jednego ze sznurków do pierwszej podkładki oraz koniec drugiego sznurka do drugiej podkładki.

2. Przyklej taśmą wolny koniec każdego sznurka do krawędzi stołu. Sznurki powinny być oddalone od siebie o ok. 15 cm. Długości sznurków dla obu wahadeł muszą być takie same.

3. Odetnij 15 cm słomki, a następnie wytnij krótkie szczeliny na obu jej końcach.

4. Przymocuj słomkę w odległości ok. 5 cm od krawędzi stołu, do której są przymocowane sznurki. Każdy ze sznurków powinien wsunąć się w jedną szczelinę słomki. Sprawdź, czy słomka jest równoległa do krawędzi stołu i czy długości wahadełek pod słomką są równe.

5. Pociągnij jedno z wahadeł do siebie na niewielką odległość i puść – powinno się ono zakołysać pod stołem. Obserwuj ruch obu wahadeł.

Co się wydarzyło?

Wahadła o tej samej długości mają taką samą częstotliwość drgań własnych, czyli liczbę cykli lub ruchów w przód i w tył, które wykonują w ciągu 1 sekundy.

Gdy jedno wahadło jest ciągnięte i puszczane, koniec dołączonej do niego słomki również porusza się tam i z powrotem z tą samą częstotliwością. Przy każdym wahnięciu słomka lekko szarpie drugim wahadłem. Z każdym szarpnięciem drugie wahadło porusza się nieco wyżej. Dzieje się to kosztem energii przekazywanej z pierwszego wahadła. W ten sposób jedno wahadło zwalnia, drugie zaś wychyla się wyżej. W tym momencie następuje odwrócenie procesu przekazywania energii. Można się zastanawiać, dlaczego ruch tam i z powrotem nie trwa wiecznie. Wahadła w tym samym czasie tracą energię na inne formy energii, w tym ciepło i dźwięk (drgania powietrza). W końcu oba wahadła zatrzymają się.4
Fale dźwiękowe w powietrzu

Dźwięki przemieszczają się w powietrzu w postaci fal zwanych falami podłużnymi. Fale dźwiękowe przenoszą energię podczas przemieszczania się przez ośrodek. Fale dźwiękowe powstają, gdy jakiś przedmiot, np. struna gitary, wibruje. Po jednej stronie struny cząsteczki powietrza są ściskane (kompresowane), tworząc obszar wysokiego ciśnienia. W obszarach wysokiego ciśnienia zachodzi zatem kompresja. W tym samym czasie po przeciwnej stronie struny powstaje obszar niskiego ciśnienia, w którym cząsteczki powietrza mogą się rozchodzić, co nazywamy rozrzedzaniem. Rysunek 1 przedstawia model ściskania i rozrzedzania powietrza wokół drgającej struny oznaczonej czerwoną linią. Należy zauważyć, że cząsteczki powietrza wokół struny poruszają się tam i z powrotem, ale nigdy nie przemieszczają się daleko. Za każdym razem, gdy cząsteczki powietrza są ściskane, uderzają o inne cząsteczki powietrza, które odpychają je dalej od struny. Fala dźwiękowa oddala się od źródła dźwięku, czyli drgającej struny, we wszystkich kierunkach. Fale dźwiękowe poruszają się i odbijają od powierzchni aż do chwili, gdy nie mają już energii.

Fale dźwiękowe

RYS. 1

Ściskanie i rozrzedzanie fal podłużnych można zademonstrować za pomocą sprężyny Slinky.

Przekonaj się sam

Co jest potrzebne

• sprężyna Slinky

Co należy zrobić

1. Połóż sprężynę na stole.

2. Przytrzymaj rękami końce sprężyny i rozciągnij je tak, aby osiągnęła długość ok. 60 cm.

3. Trzymając nieruchomo jeden koniec sprężyny, przesuń przeciwległy koniec do środka na odległość 10 cm, a następnie pociągnij go na zewnątrz (rys. 2). Obserwuj ruch zwojów sprężyny.

RYS. 2

Co się wydarzyło?

Ściskanie sprężyny reprezentuje ściskanie cząsteczek powietrza, gdy drgający obiekt naciska na nie. Gdy obiekt pcha powietrze z jednej strony, po stronie przeciwnej cząsteczki powietrza rozchodzą się. Rozciąganie zwojów stanowi model zjawiska rozrzedzania powietrza.

Ściskanie zwojów powoduje powstawanie widocznej fali w sprężynie, co reprezentuje zachowanie cząsteczek powietrza podczas zderzania się z kolejnymi cząsteczkami powietrza i kolejnymi itd. Na końcu sprężyny fale są odbijane i wracają. Ten ruch tam i z powrotem trwa przez jakiś czas, lecz stopniowo zwalnia, aż do zatrzymania z powodu utraty energii.Zwoje ściskają się i rozciągają, kiedy przechodzi przez nie fala. Na zamocowanym końcu sprężyny fala odbija się i podąża w przeciwnym kierunku. Osoba trzymająca koniec sprężyny może poczuć energię modelowanej fali dźwiękowej, ponieważ ostatni zwój naciska na jej dłoń. Ruch tam i z powrotem powtarza się kilkakrotnie. Podobnie fale dźwiękowe odbijają się od przedmiotów. Fale dźwiękowe są pochłaniane przez miękkie powierzchnie i odbijane przez powierzchnie twarde. Na rysunku 3 porównano ściskanie i rozciąganie sprężyny z falą dźwiękową w powietrzu.

RYS. 35
Fale ciśnieniowe

Fale dźwiękowe są również falami ciśnieniowymi, ponieważ w trakcie ich przemieszczania się przez ośrodek ciśnienie wzrasta i maleje. Obszar, w którym ciśnienie jest największe i ośrodek jest ściśnięty, nazywamy obszarem kompresji. Obszar, w którym ciśnienie jest mniejsze, a ośrodek jest rozciągnięty, nazywamy obszarem rozrzedzenia. Fale dźwiękowe powstają wówczas, gdy do ośrodka, który może drgać, czyli poruszać się w przód i w tył, zostanie przyłożona siła (ruch pchający lub ciągnący). Drgające (wibrujące) przedmioty wywierają nacisk na otaczające je cząsteczki powietrza, co powoduje powstanie fali ciśnienia, która rozchodzi się we wszystkich kierunkach, podobnie jak fale w stawie.

Dmuchanie przez otwarte usta do pustej butelki wywołuje falę ciśnienia w butelce, która wprawia w drgania powietrze znajdujące się w jej wnętrzu. Powietrze w butelce będzie drgać z określoną częstotliwością, zwaną częstotliwością własną, a wytwarzany dźwięk będzie charakterystyczny dla tej częstotliwości. Wysokość słupa powietrza w pustej butelce mierzy się od góry butelki do jej dna. Dodanie wody do butelki spowoduje skrócenie wysokości słupa powietrza. Fale dźwiękowe odbijają się od powierzchni wody w taki sam sposób, w jaki odbijają się od dna butelki. Słyszany dźwięk zależy od wysokości słupa powietrza. Wraz ze zmniejszaniem się wysokości słupa wzrasta częstotliwość wytwarzanego dźwięku. Wysokość dźwięku jest bezpośrednio związana z jego częstotliwością.

RYS. 1

Przekonaj się sam

Co jest potrzebne

• 6 pustych szklanych butelek, tej samej wielkości i kształtu

• woda

Co należy zrobić

1. Podtrzymaj dłonią każdą pustą butelkę, a następnie dmuchnij w jej górną część.

2. Porównaj dźwięki wydawane przez każdą z butelek.

3. Zmieniaj wysokość słupa powietrza w każdej z butelek, dodając różne ilości wody i porównaj dźwięki, jakie się z nich wydobywają.

Co się wydarzyło?

Wyniki tego eksperymentu potwierdziły, że wraz ze zmniejszaniem wysokości drgającego słupa powietrza, który jest ograniczony z jednej strony, wzrasta częstotliwość wytwarzanego dźwięku.

Potwierdziło się również, że wysokość dźwięku jest bezpośrednio związana z jego częstotliwością. Im niższa częstotliwość, tym niższa wysokość dźwięku i odwrotnie. Pusta butelka wytwarza dźwięk o najniższej wysokości, ponieważ ma najwyższy słup powietrza, a zatem wytwarzany dźwięk ma najniższą częstotliwość. Zwiększenie ilości wody w butelkach spowodowało skrócenie wysokości słupa powietrza w każdej z nich, co zwiększyło częstotliwość fal dźwiękowych, a tym samym wytworzyło wyższe dźwięki.